CHARAKTERYSTYKI MECHANICZNE ELEKTRYCZNEGO UKŁADU ROZRUCHOWEGO SILNIKA SPALINOWEGO

Transkrypt

1 Józef PSZCZÓŁKOWSKI CHARAKTERYSTYKI MECHANICZNE ELEKTRYCZNEGO UKŁADU ROZRUCHOWEGO SILNIKA SPALINOWEGO W atykule schaakteyzwan napędzanie wału kbweg pzez zusznik jak pces diagnstyczny. Omówin waunki pacy zusznika elektyczneg pdczas napędzania wału kbweg silnika w aspekcie ównwagi mmentu pu silnika i mmentu siły wytwazaneg pzez układ zuchwy. Schaakteyzwan źódła pów w silniku spalinwym az mówin czynniki mające na nie wpływ, wskazan jeg składwe az zależnści pzwalające na ich wyznaczenie. Wskazan zmiennść mmentu pu silnika w cyklu jeg pacy az zmiennść mmentu i pędkści btwej wału kbweg w pcesie napędzania wału. Pzedstawin stanwisk az metdykę badań zuchu silnika spalinweg az wpływ watści tempeatuy i mcy układu zuchweg na ejestwane sygnały zuchu. Wskazan związki pzyczynw-skutkwe mmentu pu silnika i cech paametów pacy układu zuchweg. Wykazan, że watści sygnałów ejestwanych pdczas napędzania wału kbweg mają cechy paametów diagnstycznych silnika w aspekcie ceny szczelnści pzestzeni nadtłkwej az watści sumaycznych pów silnika spalinweg. WSTĘP Diagnstyka jest dziedziną wiedzy i działalnści człwieka, któej pzedmitem i celem jest pacwanie zasad i metd az budwa śdków umżliwiających zpznanie stanu badaneg biektu na pdstawie chaakteystycznych bjawów jeg funkcjnwania. Dla celów diagnstyki wykzystuje się pzede wszystkim paamety chaakteyzujące pdstawwe pcesy bcze maszyn az pcesy im twazyszące. Diagnstyka wykzystuje więc wszelkie stany pacy uządzeń nisące infmacje stanie biektu. Isttą badania diagnstyczneg jest pmia watści paametu diagnstyczneg i wyznaczenie na tej pdstawie watści paametu stanu, któą pównuje się z ustalną jeg watścią dpuszczalną lub ganiczną. W paktyce eksplatacyjnej isttne jest ustalenie klasy stanu zdatnści bądź niezdatnści biektu. Częst dknywane jest t także na pdstawie watści paametu sygnału diagnstyczneg, jeżeli ustaln dla nieg wymagania. Badania diagnstyczne dgdnie jest ealizwać w ustalnych bądź stacjnanych waunkach pacy maszyny. Zmniejsza t ilść zmiennych wpływających na watści mieznych paametów diagnstycznych. Częst jednak pcesy dynamiczne są badziej infmatywne aniżeli stacjnane stany pacy, bądź też z natuy pcesu wynika bak mżliwści zapewnienia ustalnych stanów pacy. W dynamicznych waunkach pacy biekty techniczne mają na gół nieliniwe chaakteystyki funkcjnwania. Wówczas stan pacy biektu w danej chwili jest zależny d stanów pacy w chwilach ppzedzających. W takich waunkach nie jest mżliwe wyznaczenie dpwiedzi układu na pdstawie jeg chaakteystyki stacjnanej knieczne jest dla ustalenia paametów wyjścia biektu zbudwanie mdelu jeg pcesów dynamicznych. Zazwyczaj, w związku ze złżnścią biektów zeczywistych i pcesów w nich zachdzących pacwanie mdelu dynamiczneg wymaga długtwałych badań ekspeymentalnych w celu wyznaczenia niezbędnych paametów stałych i cech mdelu. Te zasady i pceduy mają isttne znaczenie dla pacwania metdy diagnzwania silnika i układu zuchweg na pdstawie sygnałów zuchu (napędzania wału kbweg). Pdjęcie pzez silnik spalinwy samdzielnej pacy wymaga dstaczenia enegii w pstaci napędzania jeg wału kbweg. Enegia elektyczna pbieana z akumulata pdczas zuchu zamieniana jest pzez zusznik na enegię mechaniczną. Pędkść btwa wału kbweg jest deteminwana pzez mc układu zuchweg az mment pów uchu silnika spalinweg. Isttny wpływ na pędkść btwą wału kbweg pdczas napędzania wału ma tempeatua silnika i tczenia (na gół znajduje się n w ównwadze temicznej z tczeniem). Waz ze zmniejszaniem watści tempeatuy zwiększa się lepkść leju silnikweg, c pwduje wzst pów uchu wału kbweg. Pnadt waz z bniżaniem tempeatuy wzasta watść ezystancji wewnętznej akumulata pwdując spadek mcy układu zuchweg. Wynika t ze zwiększenia lepkści elektlitu w bniżnej tempeatuze i zmniejszenia uchliwści jnów będących nśnikami ładunku elektyczneg, a pzez t pzewdnści elektycznej elektlitu. W efekcie zmianie ulegają waunki, paamety pacy zusznika. Zmienia się mment pu silnika, któy musi być zównważny mmentem siły zusznika. Zmienia się także mc elektyczna akumulata jak źódła enegii, c pzy danym mmencie pu zmienia pędkść btwą wałka zusznika, a więc i napędzaneg wału kbweg silnika. Pdkeślić pzy tym należy, że w elektycznym układzie zuchwym taka ównważnść zmian mcy elektycznej źódła i mcy mechanicznej zusznika nie zachdzi wpst mc (mment siły i pędkść) zusznika wynika z jeg tansmitancji funkcji pzejścia (pzekształcenia) enegii elektycznej na mechaniczną. Zależnści te dzwieciedla zbió chaakteystyk elektyczn-mechanicznych zusznika. Badania sygnałów zuchu (napędzania wału kbweg) silnika spalinweg ealizwane są pzy zastswaniu dpwiedniej metdyki az stanwiska pmiaweg umżliwiająceg ejestację sygnałów. Stanwisk umżliwia także płynną egulację watści tempeatuy w szekim zakesie jej zmiennści. Układ umżliwia ejestwanie paametów pacy układu zuchweg i silnika: natężenia pądu pbieaneg pzez zusznik, napięcia na zaciskach bciążneg akumulata i zusznika, pędkść btwą wału kbweg az ciśnienia w kmze spalania każdeg cylinda. Ddatkw stanwisk wypsażne jest w ty pmiau wat- 6/018 AUTOBUSY 661

2 ści tempeatuy: tczenia, leju silnikweg, cieczy chłdzącej az pwietza w klektze dltwym. Spśód wymieninych sygnałów napędzania wału kbweg natężenie pądu pbieaneg pzez zusznik elektyczny stanwi sygnał diagnstyczny, wykzystywany w paktyce pzy cenie szczelnści kmy spalania. Pzyjmuje się pzy tym, że stan zusznika w chwili fmułwania diagnzy dpwiada stanwi zadatnści. W pzypadku zuszników na gół nie uwzględnia się zmiany chaakteystyk bczych w funkcji czasu eksplatacji. Zużywanie się elementów pa kinematycznych zuszników jest tudne d ceny diagnstycznej i na gół nie ealizwane w waunkach eksplatacji. Nie pzewiduje się tu keswych badań i bsług zuszników. Wymienia się je (ewentualnie napawia) dpie p wystąpieniu uszkdzenia lub siągnięciu stanu ganiczneg, gdy uuchmienie silnika nie jest mżliwe. Stswane są tutaj stategie eksplatacyjne eaktywna bądź biena. pzwalają na samchdu. Opeatzy maszyn lub pjazdów pdejmują na gół póby uuchmienia silnika d chwili wyczepania akumulata. Zatem awaia układu, plegająca na baku mżliwści uuchmienia silnika skutkuje pzynajmniej całkwitym zładwaniem akumulata, bakiem wyknania lub późnieniem ealizacji zadań. Dlateg isttne jest pacwanie metdy diagnstycznej pzwalającej na cenę stanu układu zuchweg i silnika. Celem atykułu jest analiza cech, właściwści mechanicznych układu zuchweg i silnika w aspekcie ównwagi mmentu pu silnika i mmentu siły zusznika w waunkach napędzania wału kbweg. Analiza taka ma pdstawwe znaczenie pd kątem infmacji dla budwy mdelu pcesu diagnstyczneg na pdstawie ejestwanych wielkści znaczeniu diagnstycznym: natężenia pądu pbieaneg pzez zusznik, napięcia na zaciskach bciążneg akumulata, pędkści btwej wału kbweg wymuszanej pzez zusznik. Natężenie pądu pbieaneg pzez zusznik pdczas napędzania wału kbweg zawiea infmację gólnym stanie układu zuchweg, a także zawiea wielkści mmentu pu silnika spalinweg. Napięcie na zaciskach bciążneg akumulata dstacza infmacji stanie źódła zasilania i ptencjalnej mcy zusznika. Pędkść btwa wału kbweg dstacza infmacji stanie układu zuchweg i silnika, jak elementów współpacujących pdczas napędzania wału kbweg silnika spalinweg. 1. MECHANICZNE OBCIĄŻENIA ROZRUSZNIKA Mechaniczne cechy układu zuchweg pdczas napędzania wału kbweg, paamety jeg pacy, deteminwane są pzede wszystkim pzez mment pu silnika. Watść i zmiany chwilwej watści mmentu pów uchu silnika składają się z pu związaneg z taciem, a więc chaakteze tiblgicznym, związaneg z pcesami pzemian ładunku w cylindze i pchdzących d mmentów bezwładnści mas w uchu btwym. Na mment pu kmpletneg silnika składają się pwstające w zespłach funkcjnalnych staty tacia w głównych jeg skjazeniach tiblgicznych: układ kbw-tłkwy, w któym wydębnia się py tacia łżysk wału kbweg, kbwdów az tłków i pieścieni tłkwych pwiezchnię cylindów, układ zządu, uządzenia pmcnicze układ zasilania paliwem, pmpa leju, pmpa cieczy chłdzącej, wentylat, pądnica, spężaka pwietza, pzstałe: np. py pzepływwe i spężania ładunku. Bak jest jednznacznej ceny udziału pów pszczególnych układów silnika w jeg pze całkwitym []. Udziały te są isttnie zależne d tempeatuy silnika (lepkści leju i cieczy chłdzącej), pędkści btwej wału kbweg, stpnia spężania. Udziały pcentwe pów uchu silnika 359 w pzedziale tempeatuy K są ówne: udział tacia łżysk głównych i pmpy leju zmienia się w zakesie 43 6 %, łżysk kbwdwych %, tacia pieścieni 5 % jest stały, spężania i napędu zządu 14 8 %, spzęt 6 %. Badanie zkładu mmentu pów uchu plega na pmiaze pów silnika w óżnych jeg stanach mntażwych. Napędzanie zespłów ealizwane jest za pmcą zewnętznych źódeł napędu. Ocena watści pów dknywana jest na pdstawie óżnicy watści mmentu pu dla óżnych stanów mntażwych silnika lub badaniu zespłu silnika. Mment pu kmpletneg silnika wzasta w pzybliżeniu ppcjnalnie d piewiastka kwadatweg lepkści leju smaująceg. Udziały pcentwe składwych mmentu pu w zależnści d lepkści leju pzedstawin na ys. 1. Największy jest udział mmentu pu układu kbwtłkweg (szczególnie wzasta udział stat tacia łżysk), c wskazuje na decydujący wpływ lepkści leju. Obsewuje się także wzst mmentu pu waz ze wzstem pędkści btwej, pzy czym gadient pzystu pu jest większy w niższych tempeatuach i pzedziale niskich watści pędkści btwej. Rys. 1. Wpływ lepkści dynamicznej leju na składwe mmentu pu silnika 359 (dla pędkści btwej wału 10 b./min) [] Składwe mmentu pu pchdzące d spężania ładunku wynikają się ze stat biegu i stat ddatkwych wywłanych taciem tłka i łżysk. Staty biegu są paktycznie niezależne d tempeatuy i czasu napędzania wału kbweg. Najbadziej wiaygdne wyniki badań mmentu pu silników tzymuje się wyznaczając g na pdstawie paametów i chaakteystyk pacy zusznika, pnieważ dzwieciedla t dynamikę pcesu. Opacwan zależnści empiyczne pzwalające wyznaczyć watść śednią mmentu pów uchu silnika [3]. Umżliwiają ne pzybliżną cenę mmentu pu silnika. Stswane w waunkach bniżnej tempeatuy fmuły uzależniają mment pu d cech knstukcyjnych silnika, pędkści btwej wału kbweg i lepkści leju. Mże n być wyznaczany na pdstawie śednieg ciśnienia tacia, keślaneg z gólnej zależnści: pi śednie ciśnienie indykwane, pe śednie ciśnienie efektywne, pt śednie ciśnienie tacia. p p p (1) i e t 66 AUTOBUSY 6/018

3 Wówczas mment pu M wyznacza się pównując jeg pacę w czasie cyklu bczeg silnika d pacy śednieg ciśnienia tacia, w bjętści skkwej silnika: M 4 p V () Vss pjemnść skkwa silnika Dla waunków zuchu (napędzania wału kbweg) śednie ciśnienie tacia najczęściej wyznacza się z zależnści: t 0,333 0,5 p t 19,6 11,31 n [kpa] (3) η lepkść dynamiczna leju [mpas]; n pędkść btwa wału kbweg [b./min]. Śednie ciśnienie tacia, zatem i watść mmentu pów uchu wału kbweg zależy d lepkści dynamicznej leju az pędkści btwej wału kbweg. Dugim, analgicznym spsbem keślenia mmentu pu jest zależnść pstaci (4): M ss a b ka n (4) M mment pów uchu [Nm], k, a, b paamety stałe, A paamet uwzględniający wymiay głównych pwiezchni tących silnika [cm ], υ lepkść kinematyczna leju [mm /s], n pędkść btwa wału kbweg [b./min]. Pzykładem zależnści pzwalającej wyznaczyć mment pów uchu dla silników zapłnie samczynnym i liczbie cylindów mniejszej i ównej sześć jest (5). 3 0,5 0,38 M [Nm] (5) 133,8 10 V n s Vs bjętść skkwa silnika [dm 3 ]. D bliczania mmentu pu współczesnych silników spalinwych w pacy [3] pdan współczynniki kygujące. Pdczas długtwałeg napędzania wału kbweg występują znaczne zmiany waunków, wynikające nie tylk ze zmian stanu układu zuchweg (wyczepywania enegii akumulata), ale także waunków tacia w skjazeniach tiblgicznych silnika. Stąd też występują tu dpwiednie zmiany śedniej, w cyklu pacy silnika, watści pędkści btwej wału kbweg. Mc pów wewnętznych silnika mżna wyazić zależnścią: P M (6) n [b/min] P Rys.. Zależnść pędkści btwej napędzania wału kbweg silnika A4.36 d czasu pzy: 1 ciągłej pacy zusznika, pacy zusznika w cyklach 10 s z pzewą 30 s [] W pzedziale czasu d 0 d 10 s bsewuje się nieznaczny pzyst pędkści btwej wału kbweg. Wynika t ze wzstu tempeatuy leju w łżyskach p włączeniu zusznika zmniejsza się jeg lepkść, a stąd mment pu silnika. W punkcie P następuje znaczny spadek watści pędkści wału kbweg. Jest t związane z dpływem d łżysk wału kbweg leju smaująceg tłczneg pzez pmpę leju (czas zwłki dpływu leju d łżysk wynsi zazwyczaj d kilku d kilkunastu sekund). Od chwili zpczęcia dpływu leju następuje stpniwy wzst i stabilizacja tempeatuy wastwy lejwej w łżyskach. Pwduje t zmniejszanie mmentu pu silnika i bsewwany wzst pędkści btwej wału kbweg. Stan temiczny wastwy leju staje się ustabilizwany, gdy ilść ciepła dpwadzneg d masy silnika i pzez lej ściekający z łżyska jest ówna ilści enegii wytwznej wskutek pacy tacia. Ddatkwe zmiany pędkści btwej wału kbweg pdczas cyklicznej pacy zusznika wynikają ze zjawisk cieplnych pdczas pzew w jeg pacy i zmian siły elektmtycznej playzacji akumulata, gdzie pdczas pzew w pacy zusznika zstaje na dtwzna. Isttny jest także wpływ wtyskiwania paliwa na zmiany pędkści btwej i mmentu pów uchu silnika. Wpływ ten wynika z wymiany ciepła między wtyskiwanym paliwem i spężanym ładunkiem pwietza pwdującej zmniejszenie ciśnienia spężaneg ładunku. Mment pu silnika musi być, pdczas napędzania, ównważny pzez mment siły zusznika. Jak zaznaczn wyżej, na mment pu silnika składają się tzy główne elementy: mment pu tacia w głównych skjazeniach tiblgicznych silnika, mment pu, któeg źódłem jest ciśnienie spężaneg pwietza w pzestzeni nadtłkwej az mment bezwładnści pchdzący d elementów wiujących silnika. Mment siły zusznika jest ppcjnalny d natężenia pbieaneg pądu. Dlateg pzebieg zmian natężenia pądu pbieaneg pzez zusznik dzwieciedla nie tylk pzebieg mmentu siły zusznika, ale także pzebieg i dynamikę zmian mmentu pu silnika ys. 3. t [s] 1 M mment pu silnika, pędkść kątwa wału kbweg. Wynika stąd, że zmiany śedniej watści mmentu pu i śedniej pędkści btwej wału kbweg silnika są dwtnie ppcjnalne. Stąd, na pdstawie zmian pędkści btwej wału kbweg, mżna dknać także ceny zmian zuchweg mmentu pu silnika. Typwy pzebieg zmian watści śedniej pędkści btwej wału kbweg napędzaneg pzez zusznik w spsób ciągły az w cyklach twających 10 s z pzewą 30 s pzedstawin na ys.. Rys. 3. Pzebieg natężenia pądu pbieaneg pzez zusznik silnika A4.36 pdczas napędzania wału kbweg 6/018 AUTOBUSY 663

4 Rys. 3 pkazuje, że mment pu silnika nie jest zatem wielkścią stałą. W sumaycznej watści mmentu pu silnika mżna wydębnić składwe stałą i zmienną. Składwa stała związana jest głównie z taciem w skjazeniach tiblgicznych. Mment pu pchdzący d tacia współpacujących elementów ma watść stałą, wynikającą z knstukcji współpacujących elementów az lepkści leju smaująceg. Składwa zmienna wynika z cyklicznści pacy silnika spalinweg, a głównie spężania ładunku w cylindach. Duża ilść masy silnika znajdującej się w uchu btwym pzwala także na wydębnienie składwej mmentu pu związanej z ich bezwładnścią. Jest pzy tym czywiste, że występujące składwe mmentu zmienneg i bezwładnści w keślnych pzedziałach czasu (kąta btu wału kbweg) mają watści ddatnie i ujemne mają więc chaakte mmentu pu i mmentu napędzająceg. Pzy symetii zmian ich wpływ sumayczny na watść śednią mmentu pu i pędkści btwej pwinien być zównważny i niezauważalny. Bilans mmentu siły zusznika i pów silnika mżna zapisać w pstaci ównania (7): M d M s M z I b (7) dt ze ściankami az pzepływ pwietza d skzyni kbwej pzez nieszczelnści zespłu tłk-pieścienie tłkwe-cylinde wpływ stat ładunku na enegię wewnętzną jest wyażny ppzez zmianę entalpii ładunku idm. Pcesy wymiany ciepła jak też pzepływu płynów w układach zeczywistych są pisywane z wykzystaniem współczynników, któych watści wyznaczane są ekspeymentalnie: pzejmwania ciepła az natężenia lub pu pzepływu. Dbó lub wyznaczenie ich watści stanwi pdstawwy pblem mdelu pzemian pwietza. Watści paametów chaakteyzujących właściwści fizyczne pwietza (ciepł właściwe, wykładnik adiabaty, gęstść) mżna pzyjąć jak stałe lub zależne d jeg tempeatuy i ciśnienia. Spśód wielu znanych fmuł keślających watść współczynnika pzejmwania ciepła w kmach spężania silników d bliczeń pzyjęt wzó Wschni. Watść paametu chaakteyzująceg pzepływ pwietza pzez nieszczelnści zespłu tłk-cylinde pzyjęt na pdstawie wyników badań własnych. Na ys. 4 pzedstawin watść jednstkwych stat masy pwietza cylinda pdczas napędzania wału kbweg silnika AD4.36 pzy óżnych watściach pędkści btwej w óżnej tempeatuze. M mment siły zusznika, Ms składwa stała mmentu pu silnika, Mz składwa zmienna mmentu pu silnika, I mment bezwładnści elementów wiujących silnika, ω pędkść kątwa wału kbweg. Pzstałe sygnały napędzania wału kbweg silnika pzez elektyczny układ zuchwy napięcie i pędkść btwa wykazują znaczne pdbieństw i dpwiedniść faz zmiennści d pzebiegu natężenia pądu. Jest t spwdwane istnieniem związków pzyczynw-skutkwych między nimi wynikających z: właściwści akumulata jak napięciweg źódła pądu, któe wiążą jednznacznie napięcie i natężenie pądu, zbiu chaakteystyk zusznika, któe jednznacznie wiążą mment siły z natężeniem pądu i pędkść btwą wałka z napięciem źódła zasilania Opó spężania ładunku Tłkwy silnik spalinwy jest maszyną, któej pcesy bcze są ealizwane dzięki uchwi btwemu wału kbweg i psuwist-zwtnemu uchwi tłków. Jednym z pcesów bczych silnika jest spężanie ładunku. W kntekście napędzania wału kbweg spężanie jest źódłem pu uchu (zpężanie pwduje napędzanie wału kbweg). Pces pzemiany ładunku pwietza w cylindze silnika mżna pisać za pmcą I zasady temdynamiki zasady zachwania enegii w pstaci óżniczkwej dla układu twateg jak: du dqc pdv idm (8) Rys. 4. Watść jednstkwych stat ładunku pwietza cylinda pdczas napędzania wału kbweg silnika AD4.36 [] Dla uszczelnienia pieścieniweg między cylindem i tłkiem zdefiniwan jednstkwy liniwy współczynnik bjętściweg natężenia pzepływu. Jeg watść pzyjęt tak, aby bliczna i zmiezna watść maksymalna ciśnienia spężania w cylindze były ówne. Ostateczną weyfikację mdelu pzepwadzn ppzez pównanie wyników bliczeń z wynikami ekspeymentu (ys. 5). Pwyższe wyniki badań wskazują, że pdstawwe znaczenie ma zależnść stat ładunku d watści pędkści btwej, natmiast waz ze spadkiem tempeatuy staty ładunku pwietza wzastają nieznacznie. du = mdu + udm zmiana enegii wewnętznej spężaneg w cylindze ładunku pwietza, dqc ilść ciepła wymienianeg pzez ładunek ze ściankami, pdv elementana paca zmiany bjętści, i entalpia właściwa gazu (entalpia: I = U + pv). Paamety stanu ładunku w pcesie pzemian mżna wyznaczyć ppzez scałkwanie ównania (8). W waunkach napędzania wału kbweg pzez zusznik z małą pędkścią btwą należy uwzględnić w ównaniu pzemiany ilść wymienineg ciepła Rys. 5. Zmiany ciśnienia spężania w cylindze silnika AD4.36 pdczas napędzania wału kbweg silnika 664 AUTOBUSY 6/018

5 Zależnść stat masy spężaneg w cylindze pwietza d tempeatuy mże wynikać ze wzstu nieszczelnści zespłu tłkpieścienie tłkwe-cylinde, ale także ze zmian właściwści elgicznych pwietza waz ze zmianą tempeatuy. Mżna stwiedzić, że wzst intensywnści pzedmuchu pwietza z cylindów d skzyni kbwej waz ze spadkiem tempeatuy nie jest isttną pzyczyną tudnści uuchmienia silnika. Na watść ciśnienia spężania wpływa głównie szczelnść pzestzeni nadtłkwej cylinda, któa zależy d stanu skjazenia tłk-pieścienie tłkwegładź cylinda az skjazenia zawó-gniazd zawwe. Spężanie ładunku w cylindach silnika jest pdstawwą pzyczyną zmiennści mmentu pu w takcie cyklu pacy i wynika z nacisku na tłk ciśnienia spężneg gazu, a stąd na pwiezchnię bczną cylinda i łżyska wału kbweg az zmienneg płżenia amienia wykbienia wału kbweg i kbwdu. Rzkład sił w mechanizmie tłkw-kbwym pzedstawin na ys. 6. Wynika stąd, że mment pów uchu pchdzący d sił gazwych pzyjmuje watści zmienne, zależne d kątweg płżenia wału kbweg w cyklu pacy silnika. Pdczas wyznaczania składwej mmentu pu pchdzącej d spężania ładunku uwzględnin, że jeden z cylindów znajduje się w cyklu spężania ładunku (np. I), jeden cylinde w cyklu zpężania (IV), a pzstałe dwa cylindy, w któych ealizwane są suwy ssania i wydechu, nie wpływają w znaczący spsób na wyniki bliczeń. Mment siły spężania ładunku wyznaczan z zależnści wynikającej z pzedstawineg na ys. 6 zkładu sił: sin M p Tp F (9) sin gdzie Tp jest składwą siły gazwej, pstpadłą d wykbienia wału kbweg. Na ys. 7 pzedstawin pzebiegi blicznych watści mmentów sił pchdzących d pzemian ładunku w cylindze I (spężanie watść mmentu pu ujemna) i IV (zpężanie watść mmentu pu ddatnia) silnika. Rys. 7. Pzebieg mmentu sił spężania ładunku w cylindach I i IV silnika w pzedziale kątwym btu wału kbweg Rys. 6. Rzkład sił pwstających w układzie kbw-tłkwym [] Znając watść ciśnienia ładunku i zkład sił w mechanizmie tłkw-kbwym mżna wyznaczyć dpwiednią składwą mmentu pu silnika. Dla 4- cylindweg silnika typu AD4.36. pdstawwy cykl pacy zawiea się w pzedziale btu wału kbweg. Wyknywan bliczenia mmentu pu spężania ładunku w pzedziale kątwym d d według cyklu pacy cylinda piewszeg. Uwzględnin także pzebiegi natężenia pądu zusznika i pędkści btwej uzyskane jak wynik ekspeymentu. Pzyjęt, że składwa zmienna mmentu pu jest zależna d wypadkwej watści sił gazwych działających na tłki silnika i jest sumą mmentu spężania ładunku i mmentu tacia w łżyskach. Mment tacia wyznaczan wpwadzając współczynnik tacia dla skjazenia czpów wału kbweg w łżyskach. Jak kyteium wyznaczania watści paametów ównania uchu pzyjęt stpień zgdnści wyników bliczeń watści pędkści btwej wału kbweg z wynikami ekspeymentu. Składwa zmienna mmentu pu zawiea także mment tacia w łżyskach wynikający z działania sił gazwych, któy mże być bliczany wg pawa tacia Newtna z uwzględnieniem współczynnika tacia. Pnadt występuje keswść sił i mmentów sił pwdujących pzemieszczanie zawów, wtyskiwanie paliwa pzez pmpę wtyskwą, zmiany pędkści pzemieszczania tłków, itd. Ddatkwą składwą zmienną mmentu pu silnika stanwi mment pchdzący d sił bezwładnści. 1.. Źódła pów uchu w silniku spalinwym Mment pu pchdzący d sił bezwładnści mas znajdujących się w uchu btwym lub związanych z tymi masami stanwi isttny składnik zmiennej składwej mmentu pu silnika. Mment pu mas uchmych związanych kinematycznie z wałem kbwym silnika jest elementem ównania uchu (6). Watść tej składwej mżna wyznaczyć mnżąc mment bezwładnści mas wiujących silnika pzez pzyspieszenie kątwe wału kbweg. Składwą mmentu pchdzącą d mas wiujących silnika wyznaczn na pdstawie zaejestwaneg pzebiegu pędkści btwej wału kbweg jej zależnści d kąta btu wału kbweg ys. 8. Analiza pzebiegu na ys. 8 i ównania uchu wału kbweg silnika (6) wskazuje, że mment bezwładnści mas wiujących pełni lę czynnika stabilizująceg bciążenie zusznika. W pczątkwym kesie suwu spężania daneg cylinda (w pzedziale btu wału kbweg) mment pu silnika d sił bezwładnści ma watść ddatnią, tzn. stanwi n bciążenie zusznika zwiększając enegię kinetyczną uchu btweg, a w pzstałym pzedziale kątwym enegię tę ddaje (mment pu ujemny) zwiększając pzy tym pędkść btwą wału kbweg w fazie spę- 6/018 AUTOBUSY 665

6 żania. Zatem zwiększenie mmentu bezwładnści pwduje pzede wszystkim zmniejszenie stpnia nieównmienści pędkści btwej napędzania wału kbweg analgiczna la bezwładnści mas wiujących wskazywana jest także w fazie pacy silnika.. CECHY MECHANICZNE UKŁADU ROZRUCHOWEGO Właściwści elektyczne i mechaniczne układu zuchweg mżna analizwać i ceniać na pdstawie zbiu chaakteystyk dstaczanych pzez pducenta. Pzykładwe chaakteystyki zusznika mcy znaminwej 1,3 kw pzedstawin na ys. 10. Rys. 8. Pzebieg mmentu pu silnika d sił bezwładnści w pzedziale kątwym [] Wyniki badań pędkści wału kbweg wskazują jednak, że zmiana mmentu bezwładnści mas wpływa ównież na watść śednią pędkści. Na ys. 9 pzedstawin watści śednie pędkści btwej wału kbweg silnika AD4.36 pdczas zuchu w tempeatuze 1 C dla óżnych watści mas wiujących pzymcwanych d jeg kła zamachweg: 1. bak wał kbwy pzbawiny był bciążników mcwanych d kła zamachweg,. stand. d kła zamachweg mcwan tzw. bciążnik standadwy zastępujący masę i mment bezwładnści spzęgła (masa 9,4 kg, mment bezwładnści kł 0,6 kg*m ), 3. ddatk. d kła zamachweg mcwan standadwy i ddatkwy bciążnik masie 34 kg, mmencie bezwładnści kł 0,7 kg*m. Rys. 9. Watści śednie pędkści btwej napędzania wału kbweg silnika AD4.36 w zależnści d mmentu bezwładnści mas wiujących [] Zmiana watści śedniej pędkści jest taka, że wzasta na waz ze wzstem mmentu bezwładnści. Wówczas zwiększa się niewątpliwie bciążenie łżysk wału kbweg i składwa stała mmentu pu pwinna wzsnąć. Takie zależnści napędzania wału kbweg wynikają pawdpdbnie z chaakteystycznych właściwści dynamicznych układu zuchweg i zmiany jeg chaakteystyk w pjedynczym cyklu zuchwym (pacy) silnika. Watść chwilwej pędkści btwej napędzaneg wału kbweg w tych waunkach zależy więc nie tylk d mmentu pów uchu silnika, lecz ównież d właściwści układu zuchweg. Rys.10. Chaakteystyki zusznika mcy 1,3 kw [] Zbió chaakteystyk zusznika zawiea zależnści d natężenia pądu I [A] pbieaneg pzez zusznik: napięcia na zaciskach bciążneg akumulata lub zusznika U [V], mmentu btweg M [Nm] zusznika, pędkści btwej wałka zusznika n [b/min] az mcy P będącej ilczynem mmentu siły i pędkści btwej. Pdstawwymi paametami chaakteyzującymi dbany d silnika spalinweg układ zuchwy są: mc znaminwa zusznika, pjemnść akumulata i pzełżenie między wieńcem kła zamachweg i zębnikiem zusznika. Najważniejszą chaakteystyką zusznika, z punktu widzenia ealizwanych zadań, jest zależnść mmentu d natężenia pądu. Mment btwy zusznika (mment elektmagnetyczny) pwstaje jak wynik ddziaływania pla magnetyczneg na pzewdnik z pądem. Mment btwy na wałku zusznika siąga watści mniejsze ze względu na nasycenie bwdu magnetyczneg zusznika i pcząwszy d pewnej watści natężenia pądu, pzebieg mmentu btweg ma chaakte liniwy. Chaakteystyki zuszników pdawane pzez pducentów są spządzane dla danej pjemnści akumulata zasilająceg, pzy keślnej jeg tempeatuze i stpniu naładwania (ys. 10). Kształtując napięcie na zaciskach akumulata (natężenie pbieaneg pądu pzy zachwaniu watści napięcia) mżna w szekim zakesie zmieniać watść mmentu, pędkści i mcy zusznika. Watści nminalnych paametów pacy, w szczególnści mcy zusznika, dtyczą waunków, w któych zstały wyznaczne. Pzebiegi pędkści btwej winika az mcy zusznika w danych waunkach funkcjnwania zależne są d napięcia na zaciskach zusznika, a stąd d aktualnej zdlnści zuchwej akumulata, jeg stanu naładwania i tempeatuy. Pzebieg chaakteystyk mcy zusznika jest zbliżny d paabli i wskazuje na mżliwść ich pisu za pmcą wielmianu dugieg stpnia w zależnści d natężenia pądu pbieaneg pzez zusznik. Mżna więc pzyjąć tu funkcję egesji mcy zusznika pstaci: P ai bi c (10) P mc zusznika, [kw] lub [KM]; a, b, c współczynniki funkcji egesji; I natężenie pądu pbieaneg pzez zusznik [A]. Dla dstępnych w liteatuze chaakteystyk zuszników, np. ys. 10, intensywnść zmian watści pszczególnych współczynni- 666 AUTOBUSY 6/018

7 ków czułść na zmianę napięcia zasilania zusznika jest óżna. Najmniejsze względne zmiany wykazuje współczynnik b występujący pzy wyazie liniwym funkcji egesji. Fakt ten mże być wykzystany pzy wyznaczaniu chaakteystyki zeczywistej mcy zusznika pdczas jeg pacy. Pdczas badań zuchwych (napędzania wału kbweg) silników natężenie pądu i pędkść btwa wału kbweg należą d pdstawwych wielkści, któych pzebiegi są ejestwane. Na pdstawie watści śedniej natężenia pądu i chaakteystyk zusznika mżna wyznaczyć jeg mment siły M. Znając watść pzełżenia między wieńcem kła zamachweg a zębnikiem zusznika mżna keślić watść pędkści kątwej zusznika z zależnści: (11) i w i watść pzełżenia między wałem kbwym silnika a zębnikiem zusznika; w pędkść kątwa wału kbweg silnika wymuszana pzez zusznik. Stąd mżna bliczyć mc zusznika: (1) P M Chaakteystyka zeczywista mcy w knketnych waunkach napędzania wału kbweg silnika nie jest znana. Pnieważ jest na pisywana ównaniem dugieg stpnia, współczynniki funkcji egesji mżna byłby wyznaczyć, gdyby były dane tzy óżne punkty pacy zusznika. Wówczas należałby związać układ tzech ównań liniwych z tzema niewiadmymi współczynnikami a, b, c: P ai bi c P 1 ai 1 3 P ai 3 bi bi 1 3 c c (13) Pi, Ii; i = 1,, 3 paamety punktów pacy zusznika. Zatem piewszym ze spsbów wyznaczenia chaakteystyki zeczywistej mcy jest związanie układu ównań (13), jeżeli znane są tzy óżne punkty pacy zusznika. Pdczas ealizacji zuchu silnika spalinweg, w jeg fazie wstępnej, mżna zazwyczaj keślić jeden punkt pacy zusznika, dla watści śedniej paametów pacy. Punktem stałym chaakteystyki mcy zusznika jest punkt dpwiadający pądwi biegu jałweg, w któym watść mcy jest ówna ze. Spśód współczynników a, b, c funkcji egesji, najmniejsze zmiany wykazuje współczynnik b występujący pzy wyazie liniwym. Mżliwe jest zatem pzyjęcie jeg watści jak stałej, keślnej na pdstawie znanej chaakteystyki mcy zusznika, np. pdawanej pzez pducenta. W efekcie mżliwe jest uzyskanie chaakteystyki mcy zusznika dla zeczywistych waunków zuchu silnika na pdstawie znanej watści jedneg punktu pacy zusznika na pzimie watści śednich natężenia pądu (mmentu siły) i pędkści btwej. Mżliwym d zastswania spsbem wyznaczenia chaakteystyki zeczywistej mcy zusznika jest wykzystanie jak tzecieg znaneg punktu pacy, stanu zablkwania zusznika. W tym stanie, w układzie zuchwym płynie pąd zwacia, a ównanie bwdu mże być zapisane w pstaci (włączając tu ównież spadek napięcia na szcztkach zusznika): E I R R R U I R R (14) z a E siła elektmtyczna akumulata; p a z p Ra, R, Rp dpwiedni ezystancja wewnętzna akumulata, zusznika i pzewdów łączących akumulat z zusznikiem. Ua napięcie na zaciskach akumulata pzy pądzie zwacia. Wielkści występujące w ównaniu są względnie łatwe d wyznaczenia. Opó wewnętzny akumulata w danych waunkach mże być wyznaczny na pdstawie pmiau pdczas napędzania wału kbweg silnika napięcia na jeg zaciskach i płynąceg pądu pdczas zasilania zusznika. Rezystancja zusznika mże być wyznaczna na pdstawie znanych jeg chaakteystyk pdanych pzez pducenta lub zmiezna, jak stsunek napięcia na jeg zaciskach w stanie zablkwania d watści pądu zwacia. Dla ewentualneg wyznaczenia napięcia akumulata pdczas pzepływu pądu zwacia zusznika niezbędna jest znajmść jeg ezystancji wewnętznej lub funkcji pisującej zależnść napięcia d jeg paametów knstukcyjnych i eksplatacyjnych. Należą d nich: pjemnść znaminwa dwudziestgdzinna; stan naładwania (techniczny); natężenie pbieaneg pądu; tempeatua pacy. Na ys. 11. pzedstawin wyznaczne na pdstawie pwyższej metdyki zeczywiste chaakteystyki mcy zusznika R11g pdczas napędzania wału kbweg silnika AD4.36 w óżnej tempeatuze tczenia. Rys. 11. Pzebieg chaakteystyk mcy zusznika R11g w zmiennej tempeatuze napędzania wału kbweg silnika Na ysunku widczna jest zmiana pzebiegu zeczywistej chaakteystyki mcy zusznika waz z bniżaniem watści tempeatuy w kieunku malejących maksymalnych watści mcy az zmniejszania watści pądu zwacia. Wynika t ze zmiany cech akumulata kwasweg zasilająceg zusznik, tj. wzstu jeg ezystancji wewnętznej. Pdane metdy wyznaczania zeczywistej chaakteystyki zusznika są baczne niewątpliwie znacznym i nieznanym dkładnie błędem wynikającym z baku danych dtyczących: chaakteystyk pacy zusznika w waunkach dynamicznych, mżliwści wyznaczania analityczneg pądu zwacia zusznika, napięcia na zaciskach akumulata pzy bciążeniu dużymi pądami, zędu pądu zwacia zusznika (wynika t między innymi z nieznajmści watści siły elektmtycznej playzacji akumulata w tych waunkach). Bak metdy bezpśednieg wyznaczania chaakteystyki zeczywistej mcy zusznika pwduje kniecznść ealizacji badań ekspeymentalnych, któych celem jest wyznaczenie stałych nie- 6/018 AUTOBUSY 667

8 zbędnych d wyknania teg zadania. Badania takie pwinny bejmwać: badania siły elektmtycznej playzacji akumulata w waunkach bciążenia pądami zwacia, badania chaakteystyk pacy zusznika w waunkach bciążenia dynamiczneg, badania zuszników elektycznych w stanie zwacia. Układ zuchwy t także układ elektyczny złżny z typwych elementów bwdu elektyczneg R, L, C az siły elektmtycznej, dla któeg istnieją mżliwści budwy mdelu elektyczneg, któeg zadaniem jest wytwzenie mmentu siły [1]. PODSUMOWANIE Watści paametów pacy układu zuchweg, sygnały napędzania wału kbweg silnika spalinweg zależą d jeg mmentu pu. Mment pu silnika spalinweg jest wielkścią zmienną i wynika t głównie z cyklicznści pcesów temdynamicznych spężania ładunku pwietza w cylindach. Składwa stała mmentu pu zależy d lepkści leju smaneg, a pzez t isttnie d tempeatuy tczenia, w któej ealizwane jest napędzanie wału kbweg, pędkści btwej napędzania wału kbweg i knstukcji węzłów tiblgicznych silnika az ddatkwych elementów napędzanych d wału kbweg. Składwa zmienna mmentu pu jest zależna głównie d ciśnienia spężania ładunku pwietza w cylindach silnika. W knsekwencji zależy d szczelnści kmy spalania i w spsób złżny d innych czynników, w tym ównież d mcy układu zuchweg wykzystywaneg d napędzania wału. Zmienna składwa mmentu pu silnika t suma pu wynikająceg ze spężania ładunku w jednym cylindze (silnika 4- cylindweg) az zpężania w cylindze, w któym ealizwany jest suw pacy (zpężania) az pu tacia w węzłach tiblgicznych bciążnych siłami gazwymi, zależneg d lepkści leju smaneg. Składwą zmienną mmentu pu silnika jest ównież mment wynikający z bezwładnści mas wpawianych w uch btwy pdczas napędzania wału kbweg az ddatkwych elementów spzętu silnika, któe związane są z wałem kbwym. Mment pu mas w uchu btwym pełni lę stabilizującą pędkść btwą napędzaneg wału kbweg zmniejsza nieównmienść pędkści, ale wpływa także w spsób zaskakujący niec na watść śednią pędkści btwej w pzytcznym pzykładzie badań silnika AD4.36 wzst mmentu bezwładnści mas pwduje zwiększenie śedniej watści pędkści. Dkładne badanie w celu pznania tych zależnści pzwli na pacwanie metdy diagnstycznej wyznaczania ciśnienia w cylindach na pdstawie sygnałów napędzania wału kbweg. Umżliwi zbudwanie mdelu mmentu pu silnika spalinweg i mdelu współpacy układu zuchweg z silnikiem, jak źódłem mmentu pu. Pdstawwym pblemem w zakesie budwy mdelu układu zuchweg, epezentująceg jeg właściwści mechaniczne jest wyznaczenie zeczywistej chaakteystyki mcy zusznika. Istnieją tu mżliwści budwy mdelu elektyczneg układu złżneg z typwych elementów bwdu elektyczneg R, L, C az siły elektmtycznej, któeg zadaniem jest wytwzenie mmentu siły. Istnieje też mżliwść bezpśednieg wyznaczenia chaakteystyki zeczywistej mcy mechanicznej zusznika pzy załżeniu jej pisu kzywą wielmianwą dugieg stpnia. Uzyskanie w ten spsób paktycznie użytecznej i dkładnej infmacji wymaga wielu dalszych badań układu zuchweg i silnika w aspekcie jeg pów uchu, w tym w szczególnści związanych ze spężaniem ładunku pwietza. W efekcie analiza sygnałów napędzania wału kbweg, tj. natężenia pbieaneg pądu, spadku napięcia na zaciskach bciążneg akumulata, pędkści btwej wału kbweg mgą stanwić źódł infmacji diagnstycznej układu zuchweg az silnika spalinweg. Na ich pdstawie mżliwe jest pacwanie metdy i pcedu wyznaczania watści ciśnienia spężania ładunku w cylindach silnika. BIBLIOGRAFIA 1. Cnstantinescu L., Enache B., Lefte E., Mdeling aspects f an electic state system f an intenal cmbustin engine, ECAI Intenatinal Cnfeence, Buchaest, ROMÂNIA, Pszczółkwski J., Analiza i mdelwanie pcesu zuchu silników zapłnie samczynnym. WAT, Waszawa Чижков Ю. П., Сопротивление прокручиванию валов автомобилъных двигателей при электростартерном пуске. Известия Высших Учебных Заведений. Машииностроение, Но 10, 1971 Mechanical featues f the cmbustin engine electic stating system Engine cankshaft diving by the state is chaacteised as a diagnstic pcess. The aticle discusses the wking cnditins f the electic state when diving the engine cankshaft in tems f the equilibium f the engine esistance tque and the mment f fce geneated by stating system. The esistance suces in the intenal cmbustin engine wee chaacteized and facts influencing them wee discussed, its cmpnents and dependencies allwing f thei deteminatin wee indicated. The vaiability f the engine esistance tque in the cycle f its peatin as well as the vaiability f the tque and tatinal speed f the cankshaft in the pcess f ppelling the shaft ae indicated. The stand and the methdlgy f testing the engine's intenal cmbustin engine and the influence f the tempeatue and pwe f the stating system n egisteed stat signals ae pesented. The cause and effect elatinships f the engine esistance tque and the featues paametes f the stating system peatin wee indicated. It was shwn that the values f signals ecded duing the cankshaft diving have the featues f engine diagnstic paametes in the aspect f the cmbustin chambe tightness and the ttal esistance f the intenal cmbustin engine. Autzy: d hab. inż. Józef Pszczółkwski, pf. WAT Wjskwa Akademia Techniczna im. Jasława Dąbwskieg, Wydział Mechaniczny: Waszawa: ul. Gen. W. Ubanwicza. Tel , jzef.pszczlkwski@wat.edu.pl JEL: L6 DOI: /atest Data zgłszenia: Data akceptacji: AUTOBUSY 6/018