LABORATORIUM SILNIKÓW SPALINOWYCH Materiały pomocnicze. m o

Transkrypt

1 LABORATORIUM SILNIKÓW SPALINOWYCH Materiały pmcnicze Temat: Pmiar stpnia napełniania Stpień (współczynnik) napełnienia jest t masa świeŝeg ładunku zamknięteg w cylindrze przed spaleniem d masy świeŝeg ładunku dpwiadająceg bjętści skkwej cylindra, przy ciśnieniu i w temperaturze świeŝeg ładunku w przewdzie dltwym [2]. Stpień napełniania mŝe być definiwany następując [1, 2]: η v = (1) m m r rzeczywista masa świeŝeg ładunku zamknięteg w cylindrze, m t teretyczna masa świeŝeg wynikająca z bjętści skkwej cylindra, PniewaŜ pmiar masy pjedynczeg ładunku nie jest łatwy, przy wyznaczaniu η v wykrzystuje się natęŝenie przepływu pwietrza zasysaneg przez silnik i teretyczne natęŝenie przepływu pwietrza, wynikające z bjętści skkwej silnika. Współczynnik napełniania mŝna zdefiniwać wówczas wzrem [1, 2]: m m r t m t r η v = (2) mt rzeczywisty strumień masy pwietrza zasysaneg d silnika w ustalnych warunkach pracy silnika, przy ciśnieniu i w temperaturze świeŝeg ładunku w przewdzie dltwym, teretyczny strumień masy pwietrza wynikający z bjętści skkwej cylindra dpływająceg d silnika w ustalnych warunkach pracy silnika, przy ciśnieniu i w temperaturze świeŝeg ładunku w przewdzie dltwym. Teretyczny strumień masy pwietrza dpływający w danych warunkach pracy silnika kreślany jest wzrem: 2 Vss n ρ p kg mt = (3) τ s V ss bjętść skkwa silnika w dm 3, n prędkść brtwa silnika w br/min, τ liczba suwów silnika, ρ p gęstść pwietrza w kg/m 3. Gęstść pwietrza wynika z jeg temperatury i ciśnienia w przewdzie dltwym i kreślana jest z równania stanu: p kg ρ p = 3 (4) R T m p ciśnienie pwietrza w Pa, R indywidualna stała gazwa dla pwietrza (R=287 J ), kgk T temperatura pwietrza w K.

2 Rzeczywisty strumień pwietrza naleŝy zmierzyć przepływmierzem, przy czym ze względu na pulsujący charakter przepływu pwietrza dpływająceg d silnika, knieczne mŝe być zastswanie układu wyrównawczeg, celem graniczenia pulsacji ciśnienia. Określny w ten spsób współczynnik napełnienia η v, nie dtyczy pjedynczeg biegu pracy, lecz przedstawia wartść średnią dla kresu, w którym badan natęŝenie przepływu pwietrza. Współczynnik napełnienia w znaminwych warunkach pracy silnika zawiera się w następujących granicach: cztersuwwe silniki zapłnie iskrwy/m: η v = 0,60=0,85, cztersuwwe silniki zapłnie samczynnym: wlnbrtwe: η v = 0,80 0,90, szybkbrtwe: η v = 0,75 0,90, Na wartść współczynnika napełnienia η v, wpływają czynniki knstrukcyjne i eksplatacyjne. NajwaŜniejszymi czynnikami eksplatacyjnymi są prędkść brtwa raz stan układu ssąceg i wydechweg, a w szczególnści stan filtrów pwietrza, katalizatrów, tłumika spalin itp. Wpływ prędkści brtwej na wielkść współczynnika napełnienia η v pkazuje przykładwa charakterystyka współczynnika napełniania (rys. 1) Współczynnik Sprawnść napełniania, napełniania ηv ηv Prędkść brtwa, n [br/min] Rys Charakterystyka współczynnika napełniania silnika MD-111E zasilaneg gazem LPG [1] Charakterystyka współczynnika napełniania jest t charakterystyka przedstawiająca zaleŝnść współczynnika napełniania η v d prędkści brtwej n, przy całkwicie twartej przepustnicy w silniku zapłnie iskrwym lub przy skrajnym ustawieniu dźwigni sterwania, dpwiadającym pełnej dawce paliwa w silniku zapłnie samczynnym. Spadek η v ze wzrstem prędkści brtwej silnika, wynika ze wzrstu prów przepływu prprcjnalnych d drugiej ptęgi prędkści. Częst bserwwany spadek η v, wraz ze zmniejszeniem prędkści brtwej spwdwany jest zanikiem ddatnieg wpływu zjawisk dynamicznych dla zbyt małych prędkści przepływu [2]. D czynników knstrukcyjnych mających wpływ na wielkść współczynnika napełnienia naleŝy zaliczyć parametry takich układów funkcjnalnych silnika jak [1]: układu dltweg, układu rzrządu, układu tłkw-krbweg, układu chłdzenia, układ paliwweg (w silnikach ZI), układu wyltweg.

3 Jednym z isttnych parametrów układu dltweg jest jeg ukształtwanie związane z wykrzystaniem występujących w nim zjawisk dynamicznych, a takŝe knstrukcja filtru i związane z nim pry przepływu. Inne parametry knstrukcyjne mające wpływ na współczynnik napełniania t średnica i długść kanałów dltwych, a takŝe chrpwatść pwierzchni wewnętrznej klektra. W układzie rzrządu, pdstawwe parametry wpływające na η v t: liczba zawrów, fazy rzrządu, zarys krzywek wałka rzrządu, wymiary i kształt zawrów raz gniazd zawrwych, Układ rzrządu pwinien być tak zaprjektwany, aby w celu dkładneg próŝnienia cylindra ze spalin i dbreg napełnienia g świeŝym ładunkiem zawry twierały się z pewnym wyprzedzeniem i zamykały z pewnym późnieniem [2]. Układ tłkw-krbwy wywiera wpływ na η v pprzez średnią prędkść tłka, z której wynikają średnie prędkści czynnika rbczeg i związane z tym pry przepływu. Ilść pwietrza zasysaneg d cylindrów silnika zaleŝy równieŝ d knstrukcji i stanu układu TPC (złŝenie tłk pierścienie - cylinder), z których wynika pzim szczelnści układu i związane z tym straty w trakcie suwu zasysania. Wpływ układu chłdzenia na η v wynika z jeg ddziaływania na temperaturę czynnika rbczeg (pdgrzewanie klektra dltweg i kanałów dltwych w głwicy), pdbnie jak układu paliwweg w silnikach ZI, gdyŝ spsób rzmieszczenia wtryskiwaczy i pdawania paliwa równieŝ będzie ddziaływał na temperaturę czynnika rbczeg, a więc i gęstść, a w knsekwencji na strumień maswy czynnika. Układ wyltwy wpływa na η v przede wszystkim pprzez stawiane pry na drdze przepływu spalin. Im większe pry przepływu tym więcej pzstałści spalin w cylindrze i tym grszy współczynnika napełniania. Opry przepływy zaleŝą d kształtu i wymiarów układu wyltweg raz d knstrukcji i ilści zastswanych reaktrów katalitycznych, jak równieŝ tłumików. Metdyka pmiaru współczynnika napełnienia W Labratrium Silników Spalinwych Plitechniki Rzeszwskiej d pmiaru rzeczywisteg natęŝenia przepływu mgą być uŝyte następujące przepływmierze [1]: przepływmierz Sensyflw P-Tube, dysza dpływwa, przepływmierz laminarny. Pmiar za pmcą przepływmierza Sensyflw P-Tube przeprwadzany jest za pmcą czujnika z płytką grzaną umieszczneg w prstliniwym rurciągu ( dpwiedniej długści dcinków przed i za czujnikiem), a dczyt natęŝenia przepływu (w kg/h) następuje na wyświetlaczu elektrniczneg urządzenia pmiarweg. W przypadku przepływmierza laminarneg i dyszy dpływwej pmiar natęŝenia przepływu plega na pmiarze spadku ciśnienia na elemencie pmiarwym. Schemat układu pmiarweg z dyszą dpływwą przedstawin na rys. 2. Rzeczywisty strumień masy pwietrza kreślany jest wówczas wzrem [4]: kg = α ε A w ρ p (5) s ε liczba ekspansji zaleŝna d rdzaju zwęŝki, liczby Reynldsa i mdułu zwęŝki (dla dyszy dpływwej przy przepływach występujących w silniku spalinwym ε=1) [4],

4 α liczba przepływu zaleŝna d rdzaju zwęŝki, mdułu zwęŝki, chrpwatści pwierzchni i niestrści krawędzi (dla dyszy dpływwej α=0,992) [4], A przekrój dyszy dpływwej w m 2, w prędkść czynnika (pwietrza) w m/s, ρ p gęstść pwietrza kreślana z wzru (4) w kg/m 3. Prędkść czynnika kreśla się z wzru Trricelleg: 2 p w = ρ (6) p róŝnica ciśnień na zwęŝce w Pa (przy pmiarze za pmcą U-rurki: p = h g ρ, gdzie; h - wyskść słupka cieczy, g - przyspieszenie ziemskie, ρ - gęstść cieczy w rurce), ρ p gęstść pwietrza kreślana z wzru (4) w kg/m 3. p dysza dpływwa klektr dltwy h w manmetr ururkwy zbirnik wyrównawczy silnik Rys Schemat układu pmiarweg współczynnika napełniania [1] Zamiast dyszy dpływwej w układzie pmiarwym mŝe być zastswany przepływmierz laminarny (rys. 3a). Składa się n z wkładki kanałwej, budwy i dprwadzeń manmetrycznych. Wkładka jest wyknana z dwóch taśm msięŝnych - gładkiej i karbwanej, zwiniętych w spsób umŝliwiający uzyskanie zbiru pdłuŝnych kanałów (rys. 3b), przy czym przekrój kaŝdeg kanału jest trójkątem równramiennym. Odprwadzenia manmetryczne, zamcwane w budwie, wyknane są z rurek msięŝnych przebiegających wzdłuŝ całej średnicy wkładki. Na całej długści rurek, w dstępach 10=15 mm rzmieszczne są wzdłuŝ linii prstej twrki skierwane ku wkładce kanalikwej. Rys. 3. Budwa przepływmierza laminarneg (a) raz budwa wkładki kanałwej (b) [2]: 1 wkładka kanałwa, 2 budwa, 3 dprwadzenie manmetryczne

5 Rzeczywisty strumień masy pwietrza dla przepływmierza laminarneg kreślany jest wzrem: p ρ p kg = η K s (7) p róŝnica ciśnień na przepływmierzu w Pa, η p lepkść dynamiczna pwietrza w Pa s, ρ p gęstść pwietrza kreślana z wzru (4) w kg/m 3, K p stała przepływmierza w 1/ m 3. p p Pmiar współczynnika napełniania, który charakteryzuje sprawnść napełniania, pwinien być przeprwadzany w silniku zapłnie iskrwym przy całkwicie twartej przepustnicy, gdyŝ pmiar ten ma kreślić pprawnść knstrukcji silnika, a nie pzim tłumienia przepływu przez przymkniętą przepustnicę. W związku z tym dla zachwania pdbnych warunków cieplnych (pełne bciąŝenie), pmiar współczynnika napełniania w silniku wyskpręŝnym pwinien dbywać się przy skrajnym ustawieniu dźwigni sterwania, dpwiadającym pełnej dawce paliwa. Literatura [1] Kuszewski H., Ustrzycki A.: Labratrium spalinwych napędów śrdków transprtu. Oficyna Wydawnicza Plitechniki Rzeszwskiej, Rzeszów [2] Serdecki W. (red.): Badania silników spalinwych: labratrium. Wydaw. Plitechniki Pznańskiej, Pznań [3] PN-ISO : Silniki spalinwe tłkwe Terminlgia. Część 1: Terminy dtyczące knstrukcji i pracy silnika. PKN, Warszawa [4] PN-M : Pmiar strumienia masy i strumienia bjętści płynów za pmcą zwęŝek pmiarwych. PKN, Warszawa 1993.