LABORATORIUM PODSTAW SILNIKÓW I NAPĘDÓW SPALINOWYCH. Ćwiczenie 2 POMIARY PODSTAWOWYCH PARAMETRÓW PRACY SILNIKÓW SPALINOWYCH

Transkrypt

1 Dr inŝ. Sławomir Makowski WYDZIAŁ MECHANICZNY POLITECHNIKI GDAŃSKIEJ KATEDRA SILNIKÓW SPALINOWYCH I SPRĘśAREK Kirownik katdry: prof. dr hab. inŝ. Andrzj Balcrski, prof. zw. PG LABORATORIUM PODSTAW SILNIKÓW I NAPĘDÓW SPALINOWYCH Ćwiczni 2 POMIARY PODSTAWOWYCH PARAMETRÓW PRACY SILNIKÓW SPALINOWYCH 1. Paramtry pracy silników spalinowych Silnik spalinowy przkształca nrgię ciplną uzyskaną z spalania paliwa na pracę mchaniczną przkazywaną odbiornikowi nrgii. Przykładm odbiornika nrgii moŝ być samochód (rys. 1). Do silnika pojazdu dopływa strumiń nrgii paliwa E pal. Silnik gnruj moc uŝytczną N, która, pomnijszona o moc strat mchanicznych w układzi prznisinia napędu, moŝ być wykorzystana do poruszania samochodu. Rys. 1. Silnik spalinowy napędzający samochód: N str moc strat ciplnych i mchanicznych, N k moc na kołach, P k siła na kołach, V prędkość samochodu, W d wartość opałowa paliwa, i B przłoŝni w skrzyni bigów, α k kąt skręcnia kół kirowanych samochodu (pozostał oznacznia w tkści) Oprator (w tym przypadku kirowca) struj silnikim poprzz paramtr, od którgo zalŝy ilość nrgii dostarczonj do silnika w paliwi w silnikach o zapłoni iskrowym (ZI) jst to zwykl kąt otwarcia przpustnicy α p a w silnikach o zapłoni samoczynnym (ZS) połoŝni organu strującgo układm zasilania paliwm. Kirowca moŝ tŝ wpływać na własności pojazdu jako odbiornika nrgii poprzz zmianę przłoŝnia w skrzyni bigów, skręcni kół kirowanych i włączni hamulca. Przkształcani nrgii w silniku spalinowym zalŝy od wilu czynników, któr moŝna podzilić na paramtry konstrukcyjn, nastawy i zakłócnia. Nastawami nazywa się paramtry, któr mogą być zminian przz uŝytkownika podczas ksploatacji silnika. W współczsnych silnikach, strowanych za pomocą mikrokomputra, ilość takich paramtrów jst przz konstruktorów ograniczana i dąŝy do zra. Typowymi nastawami są, na przykład, kąt wyprzdznia wtrysku i ciśnini otwarcia wtryskiwacza w silnikach ZS. Zakłócnia to wilkości wjściow, któr działają na silnik w sposób losowy. Za zakłócnia przyjmuj się najczęścij paramtry otaczającgo powitrza: ciśnini p o, tmpraturę T o i wilgotność Φ o. Nizwykl istotn dla uŝytkownika silnika są wyjściow wilkości nrgtyczn: momnt obrotowy silnika M o, sprawność ogólna silnika η, którj miarą jst jdnostkow zuŝyci paliwa g. DuŜ znaczni mają takŝ wilkości charaktryzując oddziaływani silnika na środowisko: misja przbigowa toksycznych składników spalin LCO, LHC, LNOx (w przypadku silników samochodów osobowych i dostawczych), poziom mitowango hałasu L pa.

2 2. Charaktrystyki silników 2 Opis matmatyczny zjawisk zachodzących w czasi pracy silnika jst bardzo trudny. Przy istnijącym stani widzy ni jst moŝliw utworzni modlu matmatyczngo, który umoŝliwiłby na przykład wyliczni wilkości wyjściowych na podstawi znanych wartości paramtrów traktowanych jako wilkości wjściow. Poznani zalŝności wiąŝących z sobą paramtry pracy silnika jst natomiast moŝliw na drodz doświadczalnj. Charaktrystyką silnika nazywa się wyznaczoną doświadczalni i przdstawioną graficzni wzajmną zalŝność wybranych paramtrów pracy, przy załoŝniu, Ŝ pozostał paramtry ni zminiają się. ZalŜności tworząc charaktrystykę silnika mogą tŝ być przdstawion w postaci dogodnj do obliczń komputrowych jako tablic liczbow lub funkcj otrzyman na drodz aproksymacji matmatycznj. NalŜy podkrślić, Ŝ tak zdfiniowana charaktrystyka jst wyznaczana w stani ustalonym pracy silnika, a więc jst charaktrystyką statyczną. Charaktrystyka dynamiczna przdstawia przbig wilkości wyjściowych w funkcji czasu w odpowidzi na okrślon wymuszni na wjściu [1]. W praktyc badawczj najczęścij spotyka się dwi grupy charaktrystyk statycznych silników spalinowych: charaktrystyki prędkościow, dla których zminną nizalŝną jst prędkość obrotowa wału silnika n; charaktrystyki obciąŝniow, gdzi zminną nizalŝną jst wybrany paramtr będący miarą obciąŝnia silnika (na przykład momnt obrotowy M o ). 3. Charaktrystyka prędkościowa silnika ZI Charaktrystyką prędkościową silnika spalinowgo nazywa się przdstawioną graficzni zalŝność paramtrów pracy silnika od prędkości obrotowj przy stałym połoŝniu organu strującgo dopływm paliwa do silnika (w silnikach ZI przy stałym otwarciu przpustnicy, w silnikach ZS przy stałym połoŝniu organu strującgo układm zasilania). Charaktrystyka prędkościowa moŝ obrazować przbigi dowolnych paramtrów pracy silnika, jdnak najczęścij sporządza się wykrsy momntu obrotowgo M o, mocy uŝytcznj N, skundowgo zuŝycia paliwa G i jdnostkowgo zuŝycia paliwa g. Obiktm badań w tym ćwiczniu będzi silnik o zapłoni iskrowym, dlatgo tŝ dalsz rozwaŝania dotyczyć będą tylko silników ZI (w przypadku charaktrystyk silników ZS występują róŝnic związan z innym, jakościowym a ni ilościowym, sposobm strowania mocą oraz stosowanim rgulatorów prędkości obrotowj). Rys. 2. Schmat charaktrystyki prędkościowj zwnętrznj silnika ZI Rys. 3. Schmat charaktrystyki mocy częściowych silnika ZI

3 3 Charaktrystyką zwnętrzną (płnj mocy) jst charaktrystyka prędkościowa wyznaczona przy stałym, maksymalnym otwarciu przpustnicy. Charaktrystyką mocy częściowych nazywa się charaktrystykę prędkościową sporządzoną przy kilku częściowych (lcz stałych) otwarciach przpustnicy. Schmat charaktrystyki zwnętrznj silnika ZI (z zaznaczonymi przbigami momntu obrotowgo M o, mocy uŝytcznj N, skundowgo zuŝycia paliwa G i jdnostkowgo zuŝycia paliwa g ) pokazano na rysunku 2. Na rysunku 3 przdstawiono schmat charaktrystyki mocy częściowych silnika ZI z nanisionymi przbigami momntu obrotowgo dla maksymalngo (α p1 ) i cztrch częściowych otwarć przpustnicy (α p2... α p5 ). 4. Badania silników spalinowych na hamowni Silniki spalinow mogą być badan wraz z urządznim, któr napędzają (typowym przykładm jst badani samochodu na drodz lub na hamowni podwoziowj) albo oddzilni, na hamowni silnikowj. Podczas badań silnika na hamowni odbiornikim nrgii jst hamulc. Obcni stosuj się dwa typy hamulców silnikowych: hydrauliczn (zwan tŝ wodnymi gdyŝ stosowanym mdium jst zwykl woda), lktryczn, któr dzilą się na prądnicow i wykorzystując prądy wirow (rys. 4), nazywan w skróci lktrowirowymi. Enrgia mchaniczna gnrowana przz silnik spalinowy jst w hamulcu zaminiana na cipło (hamulc hydrauliczn i lktrowirow) i odprowadzana przz wodę chłodzącą lub prztwarzana na nrgię lktryczną (hamulc prądnicow), która moŝ być zwracana do sici. Hamulc silnikow umoŝliwiają najczęścij pomiar momntu hamującgo dzięki zastosowaniu wahliwgo stojana i mirzniu siły rakcji działającj na raminiu o znanj długości (rys. 5). Momnt obrotowy silnika moŝ tŝ być mirzony w inny sposób, na przykład momntomirzm wałowym. Stanowisko badawcz musi być wyposaŝon w urządznia umoŝliwiając pomiar paramtrów pracy silnika z załoŝoną dokładnością oraz w urządznia i instalacj pomocnicz (układ zasilania paliwm, układy chłodznia, odprowadzni spalin, instalacja lktryczna, wntylacyjna). 5. Obikt badań i stanowisko badawcz Obiktm badań będzi silnik o zapłoni iskrowym marki FIAT typu 170 A.000 stosowany w samochodzi FIAT Cinqucnto. Stanowisko badawcz wyposaŝon jst w hamulc na prądy wirow Automx AMX 30. Pomiar siły rakcji P r wahliwgo stojana hamulca ralizowany jst prztwornikim tnsomtrycznym. Momnt obrotowy jst wyliczany przz układ pomiarowy i wyświtlany w postaci cyfrowj. Prędkość obrotowa mirzona jst prztwornikim indukcyjnym. Do pomiaru zuŝycia paliwa zastosowano oryginalny paliwomirz wagowy (rysunki 6 i 7), który został skonstruowany pod kirunkim prof. M. Cichgo [1]. Dzięki prcyzyjnj wadz lktronicznj, na którj stoi naczyni pomiarow z paliwm oraz spcjalnmu oprogramowaniu moŝliw są pomiary zuŝycia paliwa w stanach ni ustalonych pracy silnika. (W ćwiczniu wszystki pomiary wykonywan będą w stanach ustalonych.) Zastosowany na stanowisku zintgrowany układ chłodznia ciczy chłodzącj silnik i olju smarującgo został skonstruowany i wykonany w Katdrz SSiS [5]. Schmat stanowiska badawczgo pokazano na rysunku Pomiar i wyliczani podstawowych paramtrów pracy silnika Zadanim studntów będzi wykonani pomiarów i obliczń umoŝliwiających sporządzni charaktrystyki prędkościowj (zwnętrznj lub częściowj) silnika ZI. W czasi ćwicznia mirzon będą następując paramtry: prędkość obrotowa wału silnika n za pomocą prztwornika indukcyjngo; momnt obrotowy silnika M o za pomocą hamulca dynamomtryczngo na prądy wirow; skundow zuŝyci paliwa G przy uŝyciu paliwomirza wagowgo.

4 4 Rys. 4. Schmat hamulca na prądy wirow: 1 tarcza wirnika, 2 wał, 3 kołnirz sprzęgła, 4 przwód wylotowy wody z trmostatm, 5 uzwojni stojana, 6 obudowa, 7 kanały wody chłodzącj stojan, 8 szczlina powitrzna, 9 indukcyjny prztwornik prędkości obrotowj, 10 spręŝyst płaskowniki podpirając wahliwy stojan, 11 rama, 12 przwód dolotowy wody chłodzącj, 13 przgub przwodu, 14 lastyczny przwód wylotowy wody chłodzącj Rys. 5. Schmat hamulca prądnicowgo z wahliwym stojanm: 1 rama, 2 łoŝyska stojana, 3 łoŝyska wirnika, 4 wirnik, 5 stojan, l ramię wahliwgo stojana

5 5 Rys. 6. Schmat części hydraulicznj paliwomirza wagowgo: 1 mirnica (naczyni pomiarow szklan lub stalow), 2 przwód wypływowy paliwa, 3 przwód dopływowy paliwa, 4 zawór odcinający zasilani silnika (strowany lktryczni), 5 krócic do podłącznia przwodu zasilającgo silnik, 6 zawór kulowy odcinający powrót paliwa, 7 zawór odcinający dopłniani mirnicy, 8 krócic do połącznia paliwomirza z zbiornikim Rys. 7. Ekran monitora komputra strującgo paliwomirzm wagowym: widoczny wykrs zuŝywania paliwa przz silnik podczas pomiaru i wynik uśrdninia G (1,35 g/s) w czasi 30 skund (czas tn jst nastawialny)

6 6 Rys. 8. Schmat stanowiska badawczgo: 1 silnik FIAT CC, 2 hamulc dynamomtryczny, 3 prztwornik siły, 4 prztwornik prędkości obrotowj, 5 paliwomirz wagowy, 6 strownik z układm pomiarowym, 7 układ chłodznia ciczy chłodzącj silnik i olju smarującgo Dla umoŝliwinia porównywania z sobą wyników badań przprowadzanych przy róŝnych paramtrach otaczającgo powitrza zmirzon wartości momntu obrotowgo mnoŝy się przz współczynnik korkcyjny α a [4], który dany jst wzorm: 1,2 0,6 p Φ T r r psr y α a = (1) py Φ y psy Tr gdzi: T - tmpratura powitrza na doloci do silnika [K], p - ciśnini baromtryczn [kpa], p s - ciśnini pary wodnj nasyconj przy odpowidnij tmpraturz [kpa], Φ - wilgotność względna powitrza. Indks r odpowiada wartościom w normalnych warunkach odnisinia: p r = 100 kpa, T r = 298 K, Φ r = 30%. Indks y odpowiada wartościom w warunkach badań. Po wykonaniu pomiarów i zrdukowaniu wyników do warunków normalnych nalŝy sporządzić wykrsy momntu obrotowgo i skundowgo zuŝycia paliwa w funkcji prędkości obrotowj posługując się aproksymacją krzywikową lub matmatyczną wilomianami albo funkcjami skljanymi. Wartości mocy uŝytcznj N oblicza się z zalŝności (2) a jdnostkowgo zuŝycia paliwa g z wzoru (3), przy czym wzięt do obliczń wartości momntu obrotowgo M o [Nm] i skundowgo zuŝycia paliwa G [g/s] nalŝy odczytać z wykrsów (obliczani N i g bzpośrdnio przy uŝyciu pomirzonych wartości M o i G jst błędm). N 3 3 = ω M ozrd 10 = 2π n M ozrd 10 [kw] (2) G 3 g = 10 [mg/kj] lub N G 3 g = 3,6 10 [g/kwh] (3) N (Do wzoru (2) nalŝy wstawić prędkość obrotową n w obrotach na skundę.) Po obliczniu wartości mocy uŝytcznj i jdnostkowgo zuŝycia paliwa sporządza się wykrsy N N n g g n = ( ) oraz = ( ) Litratura 1. Cichy M.: Silniki o działaniu cyklicznym - podstawy torii i działania. Wyd. PG, Gdańsk Brnhardt M., Dobrzyński S., Loth E.: Silniki samochodow. WKŁ, Warszawa Niwiarowski K.: Tłokow silniki spalinow. WKŁ, Warszawa PN-91/M (ISO ): Silniki spalinow tłokow. Osiągi. Mtody badań. 5. Fuks J., Makowski S., Masiak G., Trzbiatowski J.: Zintgrowany układ chłodznia silnika na stanowisku badawczym. Tchnika Motoryzacyjna nr 2/1983.

7 7 KATEDRA SILNIKÓW SPALINOWYCH I SPRĘśAREK LABORATORIUM PODSTAW SILNIKÓW I NAPĘDÓW SPALINOWYCH Nazwisko i imię:... Grupa:... Data:... Ćwiczni 2 Pomiary podstawowych paramtrów pracy silników spalinowych 1. Przbig pomiarów na stanowisku badawczym: Nastawić Ŝądany kąt otwarcia przpustnicy za pomocą potncjomtru strownika 6 (rys. 4) kąt tn pozostaj ni zminiony podczas wykonywania pomiarów. Zminiać prędkość obrotową n układu silnik hamulc za pomocą potncjomtru strującgo wzbudznim hamulca na prądy wirow (zakrs i krok zmian prędkości obrotowj okrśli prowadzący ćwiczni). Dla kaŝdj nastawionj wartości prędkości obrotowj odczytać i zapisać w tab. 1 wilkości mirzon (po ustalniu warunków pracy silnika w danym punkci). Podczas wykonywania pomiarów odczytać jdnorazowo ciśnini, tmpraturę i wilgotność otaczającgo powitrza. 2. Tablica wilkości pomirzonych L.p n M o G n M o zrd M o aproks obr/min Nm g/s obr/s Nm Nm P o = t o = T o = Φ o = 3. Wykrs momntu obrotowgo i skundowgo zuŝycia paliwa w funkcji prędkości obrotowj Wykrs nalŝy sporządzić na papirz milimtrowym i dołączyć do sprawozdania.

8 8 4. Tablica wilkości odczytanych z wykrsu 3 i obliczonych L.p n M o G N g obr/s Nm g/s kw mg/kj lub g/kwh* *) nipotrzbn skrślić 5. Wykrs mocy uŝytcznj i jdnostkowgo zuŝycia paliwa w funkcji prędkości obrotowj Wykrs nalŝy sporządzić na papirz milimtrowym i dołączyć do sprawozdania.