Wstępna analiza możliwości adaptacji silnika samochodowego do zastosowań lotniczych

Transkrypt

1 AROMIŃSKI Andrzej 1 Wstępna analiza możliwości adaptacji silnika samochodowego do zastosowań lotniczych WSTĘP Pierwsze udane wykorzystanie silnika spalania wewnętrznego do napędu statku powietrznego datuje sie na rok Paul Haenlein, wykonał lot balonem wyposażonym w czterocylindrowy silnik Lenoira'a o mocy 5 KM przy prędkości obrotowej 40 obr/min [1]. Sprawność tego typu silników była niewielka i wynosiła około 5%. Silnik benzynowy o zapłonie iskrowym był źródłem napędu pierwszych statków powietrznych cięższych od powietrza. Wykorzystany w maszynie latającej Flayer z 1903 roku, którą bracia Wright odbyli pierwszy lot, osiągał moc nominalną 8,9 kw przy prędkości obrotowej 1090 obr/min [1] i ze względu na jej niedostatek pozwalał na loty jedynie przy sprzyjających warunkach atmosferycznych. Po wprowadzeniu licznych zmian i modyfikacji silnik ów w 1910 roku rozwijał moc 22,4 kw. Lata późniejsze przyniosły znaczny postęp w dziedzinie długości lotu oraz wysokości osiąganych przez maszyny latające. Spadek ciśnienia otoczenia wraz ze wzrostem wysokości wymagał zastosowania układu doładowania powietrza pobieranego dla zachowania osiągów silnika. Pierwsze praktyczne wykorzystanie sprężarki w silniku spalinowym przypisuje się Augustowi Rateau w roku 1915 [5]. W roku 1922 silniki lotnicze osiągały już moce 300 kw. Lata trzydzieste i czterdzieste to zmiany zarówno w układach zasilania, m.in. zastosowanie mechanicznego wtrysku paliwa, jak i doskonalsze paliwa o większej liczbie oktanowej. Dopracowane konstrukcje takie jak Rolls-Royce Merlin 61 V-12 w roku 1944 osiągały moce rzędu 1500 kw [1]. Wydajne silniki przepływowe zakończyły rozwój lotniczych silników tłokowych o dużej mocy w drugiej połowie lat czterdziestych. W czasach pionierów lotnictwa wypadki spowodowane usterkami silnika były powszechne. Ryzyko związane z awarią niedoskonałych układów zapłonowych było znaczne. Redundancja w systemach zasilania oraz zapłonowym miała zwiększyć niezawodność silników i tym samym znacznie poprawić bezpieczeństwo lotów. Cel ten został osiągnięty jednak kosztem znacznego skomplikowania konstrukcji. Obecnie koszt wprowadzenia nowych rozwiązań technicznych w obrębie układów zasilania i zapłonowego silnika lotniczego niejednokrotnie znacznie przewyższa potencjalne zyski związane z oszczędnością paliwa, wydłużeniem resursu godzinowego silnika, jako całości lub jego poszczególnych elementów. Wstępne zbadanie możliwości adaptacji sprawdzonej konstrukcji silnika samochodowego o odpowiednim do zastosowań lotniczych przeciwsobnym układzie cylindrów pozwala na prowadzenie prób z elektronicznymi układami zasilania i zapłonu przy znacznym ograniczenie kosztów. 1. OBIEKT BADAŃ Silnik Subaru EJ20G to turbodoładowany, czterocylindrowy, silnik o zapłonie iskrowym, pracujący w układzie przeciwsobnym (boxer) z dwoma wałkami rozrządu i 8 zaworami na każdej z dwóch głowic. Zarówno kadłub, jak i głowice silnika wykonane są ze stopów lekkich. Kadłub składa się z dwóch części łączonych ze sobą za pomocą śrub. Chłodzenie silnika oraz turbosprężarki odbywa się w obiegu zamkniętym, w którym czynnikiem chłodzącym jest płyn chłodzący oraz olej silnikowy. Do przygotowania mieszanki paliwowo-powietrznej służy wielopunktowy, pośredni układ wtrysku benzyny. Cztery wtryskiwacze osadzone na dwóch listwach paliwowych umieszczone są w końcowych odcinkach kolektora dolotowego od strony głowicy. Odpowiednie ciśnienie paliwa 1 Politechnika Warszawska, Wydział SiMR, Instytut Podstaw Budowy Maszyn; Warszawa; ul. Narbutta 84. Andrzej.Arominski@simr.pw.edu.pl 65

2 utrzymywane jest przez jeden, wspólny, regulator ciśnienia. Kolektor dolotowy wykonano jako jednoczęściowy odlew aluminiowy. Kanały kolektora dolotowego ukształtowano w taki sposób, aby długość przewodów dolotowych była jednakowa dla wszystkich cylindrów. Kolektor wlotowy składa się z trzech odlewów żeliwnych połączonych ze sobą za pomocą śrub. Zapłon w silniku samochodowym zapewnia elektroniczny, bezrozdzielaczowy układ zapłonowy wyposażony w oddzielną cewkę wysokiego napięcia na każdą z czterech świec zapłonowych (Coil on Plug). Układ wtryskowy paliwa jest w pełni sekwencyjny. Tab.1. Podstawowe parametry silnika [7] Objętość skokowa Średnica cylindra Skok tłoka 1994 cm3 92 mm 75 mm Skok/średnica 0,815 Moc Moment obrotowy Stopień sprężania 2. PRZEPROWADZONE MODYFIKACJE 160 kw przy 6000 obr/min 290 Nm 4000 obr/min Fabryczny moduł sterujący (ECU) zastąpiono uniwersalnym modułem sterujący MegaSquirt. Wyznaczanie dawki paliwa odbywa się metodą SpeedDensity. Metoda ta polega na pomiarze ciśnienia bezwzględnego w kolektorze dolotowym (MAP) i wyliczeniu masy powietrza trafiającego do komory spalania z równania stanu gazu z uwzględnieniem wskaźnika napełnienia dla różnych obciążeń i prędkości obrotowych [2]. Zaproponowane wartości wskaźnika napełnienia zaprezentowano na rysunkach 1 i 2. Należy podkreślić, że wartość zaprogramowana odniesiona jest do wartości maksymalnej i z tego względu nie przekracza 100%. Wykorzystano istniejące czujniki temperatury cieczy chłodzącej oraz powietrza na wlocie. Czujnik prędkości obrotowej oraz położenia wału korbowego zastąpiono innym niż fabryczny czujnikiem indukcyjnym oraz współpracującym z nim nowym kołem znacznikowym. Zastosowany układ sterujący pozwala na sterowanie wtryskiem wielopunktowym w trybie jednoczesnym, w przeciwieństwie do w pełni sekwencyjnego trybu pracy na sterowniku fabrycznym. Takie rozwiązanie w połączeniu z odpowiednio dobranym układem zapłonowym znacznie upraszcza system sterowania. Ze względu na zakres prędkości obrotowych oraz obciążeń podczas prób takie uproszczenie sterowania nie powinno mieć istotnego wpływu na otrzymane wartości momentu obrotowego, może natomiast niekorzystnie wpływać na emisje szkodliwych związków do atmosfery [6]. We wstępnej fazie badań zrezygnowano z zastosowania reaktora katalitycznego. Układ zapłonowy został zastąpiony układem dwóch cewek zapłonowych, w którym każde uzwojenie wtórne podłączone jest do dwóch świec oddalonych od siebie w suwie pracy o 360 stopni obrotu wału korbowego. Tego typu układ powszechnie nazywany układem iskry traconej (Wasted Spark). Główną zmiana konstrukcyjna było umieszczenie dodatkowej świecy zapłonowej w obrębie komory spalania tylko jednego z cylindrów. 8 66

3 Rys.1. Wskaźnik napełnienia. Oś X- prędkość obrotowa [obr/min] Oś Y- ciśnienie w kolektorze [kpa]. Rys.2. Wskaźnik napełnienia. Kolor niebieski: niskie wartości, czerwony-wysokie Oś X- prędkość obrotowa [obr/min] Oś Y- ciśnienie w kolektorze dolotowym [kpa]. 67

4 Rys.3. Silnik na stanowisku badawczym [3] 3. PIERWSZE PRÓBY SILNIKA NA STANOWISKU BADAWCZYM Pomiary przeprowadzono na stanowisku znajdującym się w Wojskowej Akademii Technicznej w Warszawie wyposażonym w hamulec elektrowirowy. Pierwsze próby odbywały się bez obciążenia i służyły weryfikacji poprawności zaprogramowanych wstępnie parametrów sterujących, czujników pomiarowych oraz kontroli poprawności pracy wyposażenia stanowiska badawczego. Ze względu na kłopoty z zapewnieniem odpowiedniego przepływu powietrza, chłodnica cieczy chłodzącej została zastąpiona wymiennikiem ciepła typu woda-woda. Następnie przeprowadzono szereg prób z umiarkowanym obciążeniem w pełnym zakresie prędkości obrotowych silnika. Wymienione próby prowadzone były tylko z pracującym zasadniczym układem zapłonowym. Następnie stopniowo zwiększano obciążenie silnika bacznie obserwując przebieg ciśnienia wewnątrz komory spalania wykluczając występowanie zjawiska spalania stukowego. Uśrednione wykresy ciśnienia w formie otwartego i zamkniętego wykresu indykatorowego przedstawiono na rysunkach 4 i 5. Podczas prób wartość maksymalnego, szczytowego ciśnienia doładowania wynosiła 170 kpa i spadała wraz ze wzrostem prędkości obrotowej. Zarejestrowany moment obrotowy dla pracy z zasadniczym układem zapłonowym wynosił odpowiednio 267 Nm przy prędkości obrotowej 3000 obr/min i 270 Nm przy prędkości obrotowej 4200 obr/min. Temperatura cieczy chłodzącej podczas prób nie przekraczała 85 C, rysunek 6 i 7. W przypadku pracy silnika tylko na awaryjnym układzie zapłonowym w obrębie jednego cylindra (trzy pozostałe pracują na zasadniczym układzie zapłonowym) wartości te wynosiły odpowiednio 251 i 253 Nm. Na rysunku 6 obrazującym przebieg ciśnienia bezwzględnego w kolektorze dolotowy można zauważyć znaczne zmiany jego wartości dla ustalonych stanów pracy silnika. Początkowo sądzono, że obserwowane zmiany w zakresie 10 kpa spowodowane są niewłaściwym umiejscowieniem punktu pomiaru ciśnienia, zbyt bliskim zaworu dolotowego jednego z cylindrów. Przypuszczenie to nie potwierdziło się podczas dalszych prób, gdyż zmiana punktu pomiaru ciśnienia nie ograniczyła wspomnianych pulsacji. 68

5 Rys.4. Uśredniony wykres ciśnienia w komorze spalania dla trzech różnych prędkości obrotowych Rys.5. Wykres indykatorowy zamknięty dla trzech różnych prędkości obrotowych 69

6 Rys.6. Wykres indykatorowy zamknięty dla trzech różnych prędkości obrotowych Rys.7. Wykres indykatorowy zamknięty dla trzech różnych prędkości obrotowych 70

7 WNIOSKI Spadek momentu obrotowego związany z pracą silnika przy użyciu tylko awaryjnej świecy zapłonowej w jednym cylindrze wynosił 6% i 5,4% dla prędkości obrotowej wynoszącej odpowiednio 3000 obr/min i 4200 obr/min. Pozwala to przypuszczać, że dla silnika ze zmodyfikowanymi wszystkimi czterema komorami spalania nie powinien przekraczać 24%. Wartości te należy uznać za satysfakcjonujące, mając na uwadze zastosowanie tych samych wartości kąta wyprzedzenia zapłonu, które ze względu na inne umieszczenie świecy awaryjnej w komorze spalania mogą być dalekie od optymalnych. W silniku docelowym, ze względu na wymuszone konstrukcyjnie, niekorzystne umiejscowienie awaryjnej świecy zapłonowej, która ze względów praktycznych powinna pracować również podczas pracy zasadniczego układu zapłonowego [3], baczną uwagę należy zwrócić na niekorzystne zjawiska takie jak spalanie stukowe mogące doprowadzić do szybkiego zniszczenia silnika oraz pogorszenia jego osiągów. Jednym z możliwych sposobów wczesnego wykrywania zjawiska spalania stukowego może być zastosowanie piezoelektrycznych czujników przyspieszeń, wykorzystywanych powszechnie w badaniach drgań [4] oraz komputerowa analiza sygnału pozwalająca zidentyfikować częstotliwości drgań związanych z tym niekorzystnym zjawiskiem. Streszczenie Artykuł przedstawia wstępną koncepcje modernizacji samochodowego silnika o zapłonie iskrowym do zastosowań lotniczych. Zaproponowane zmiany to umieszczenie dodatkowej świecy zapłonowej w komorze spalania, zastąpienie układu zapłonowego o indywidualnej cewce zapłonowej na każdej ze świec (Coil on Plug) układem iskry traconej (Wasted Spark) oraz wykorzystanie programowalnego modułu sterowania pracą silnika. Zmodyfikowany silnik zbadano na stanowisku hamowni obciążeniowej wyznaczając m.in. przebieg momentu obrotowego dla zakresu prędkości obrotowych silnika odpowiadających prędkościom przelotowym. Spadek momentu obrotowego podczas pracy na awaryjnym układzie zapłonowym w zakresie średnich prędkości obrotowych wynosił około 24%. Otrzymane wyniki pozwoliły przypuszczać, że pomimo wymuszonego konstrukcyjnie, niekorzystnego umiejscowienia dodatkowej świecy zapłonowej, przy zachowaniu daleko idącej ostrożności związanej z możliwością wystąpienia zjawisk skrajnie niekorzystnych w postaci spalania stukowego, adaptacja silnika samochodowego do zastosowań lotniczych jest możliwa. Słowa kluczowe: silnik lotniczy, adaptacja, hamownia silnikowa Preliminary concepts of automotive spark-ignition engine modernization process for aeronautical applications Abstract This paper briefly presents introductory concepts of automotive spark-ignition engine modernization process for aeronautical applications. Proposed changes include addition of an extra spark in single combustion chamber for testing purposes, replacement of the original Coil on Spark system with Wasted Spark system and incorporation of a fully programmable Engine Control Module. Torque-speed performance tests were carried out both for standard and emergency ignition system. The torque for expected cruising speed while engine runs on emergency ignition system is about 76% of the torque generated when engine runs on primary ignition system. Obtained results suggest that despite of structurally unfavorable location of additional spark plug, adaptation of automobile engine for aircraft applications is possible. Keywords: reciprocating aircraft engine, bench tests, piston engine BIBLIOGRAFIA 1. C. Fayette Taylor: Aircraft Propulsion, Smithsonian Institution Press U. Kiencke, L. Nielsen: Automotive Control Systems, Springer W. Ostapski, Opracowanie i wdrożenie proekologicznego, wielopaliwowego, lotniczego silnika tłokowego nowej generacji o mocy N=200kW, Raport projektu celowego nr 6ZR62008C/ R. Nowak, M. Pietrzakowski : Symulacje MES i weryfikacja doświadczalna piezoelektrycznego układu pozyskiwania energii, Logistyka Nr 6/ C. Fayette Taylor: The Internal Combustion Engine in Theory and Practice, The M.I.T Press 1985 Vol. 1 71

8 6. Z. Kneba, S. Makowski: Zasilanie i sterowanie silników, Warszawa,WkiŁ Materiały serwisowe Engine Workbook Fujitsu Heavy Industries, Subaru