LABORATORIUM SILNIKÓW SPALINOWYCH Materiały pomocnicze

Transkrypt

1 LABORATORIUM SILNIKÓW SPALINOWYCH Materiały pomocnicze Temat: Ocena procesu spalania na podstawie wykresu indykatorowego Indykowanie tłokowego silnika spalinowego oznacza pomiar szybkozmiennych ciśnień w cylindrze silnika i stanowi podstawę jakościowej i ilościowej analizy zjawisk cieplnochemicznych oraz przepływowych zachodzących w silniku. Znajomość przebiegu ciśnienia, temperatury i współczynnika nadmiaru powietrza w komorze spalania jest niezbędna przy doskonaleniu procesu spalania z jednoczesnym uwzględnieniem moŝliwości ograniczenia szkodliwych, toksycznych składników w spalinach [1]. W wyniku indykowania silnika otrzymujemy wykres indykatorowy. Wykres indykatorowy jest to wykres przedstawiający zmiany ciśnienia czynnika roboczego w cylindrze w czasie całego cyklu pracy [3]. RozróŜnia się następujące rodzaje wykresów indykatorowych: zamknięte, otwarte; - pełne, - częściowe, - wielokrotne. Wykres indykatorowy zamknięty przedstawia przebieg ciśnienia czynnika roboczego w cylindrze w funkcji chwilowej objętości komory spalania lub drogi tłoka. Zamknięte wykresy indykatorowe sporządza się w celu porównania obiegu rzeczywistego z teoretycznym. Na rys. 1 przedstawiono wykresy indykatorowe zamknięte dla silników dwusuwowych, a na rys. 2, dla silników czterosuwowych. Oznaczenia punktów charakterystycznych obiegu silnika zaznaczone na wykresach przedstawiono w tabeli 1. Rys. 1. Wykres obiegu teoretycznego i wykres indykatorowy rzeczywistego obiegu dwusuwowego pracy silnika [4]: a) o zapłonie samoczynnym, b) o zapłonie iskrowym

2 Rys. 2. Wykres obiegu teoretycznego i wykres indykatorowy rzeczywistego obiegu czterosuwowego pracy silnika [4]: a) o zapłonie samoczynnym, b) o zapłonie iskrowym Wykres indykatorowy otwarty przedstawia przebieg ciśnienia czynnika roboczego w cylindrze w funkcji kąta obrotu wału korbowego lub czasu. Pełny (jednokrotny), otwarty wykres indykatorowy przedstawia jeden pełny cykl pracy (dla silnika czterosuwowego OWK). Wykresy częściowe sporządza się dla wybranej części całego cyklu pracy silnika, natomiast wykresy wielokrotne zagęszczone przedstawiają przebieg ciśnienia w cylindrze w dłuŝszym przedziale czasowym (zarejestrowanych jest od kilku do kilkudziesięciu pełnych cykli pracy silnika. Otwarte wykresy indykatorowe sporządza się w celu analizy cyklu pracy silnika lub wybranego fragmentu np. procesu spalania, procesu napełniania lub wylotu. Na wykresach wielokrotnych moŝliwa jest ocena niepowtarzalności kolejnych obiegów pracy silnika. Oznaczenia charakterystycznych wielkości na wykresach otwartych przedstawiono w tabeli 2.

3 5 4 Ciśnienie w cylindrze, p [MPa] Rys Wykres indykatorowy rozwinięty silnika badawczego SB3.1 o zapłonie samoczynnym z układem Common Rail, zarejestrowany przy częściowym obciąŝeniu i prędkości obrotowej n=1200 obr/min [2] Rys. 4. Częściowy wykres indykatorowy rozwinięty silnika [4]: a) o zapłonie samoczynnym, b) o zapłonie iskrowym a) b) Rys. 5. Otwarty wykres indykatorowy (tzw. wykres zagęszczony) ilustrujący niepowtarzalność kolejnych obiegów pracy silnika o zapłonie iskrowym: a) - bieg luzem, b) - duŝe obciąŝenie silnika

4 Tabela 1. Punkty charakterystyczne obiegów rzeczywistych [3] Nazwa Oznaczenie Określenia Początek dolotu Początek otwarcia zaworu lub okna PD Inlet opening dolotowego Koniec dolotu Koniec otwarcia zaworu lub okna KD Inlet closing dolotowego Początek wylotu Początek otwarcia zaworu lub okna PW Outlet opening wylotowego Koniec wylotu Koniec otwarcia zaworu lub okna KW Outlet closing wylotowego Początek wtrysku paliwa Fuel injection begining PWP Początek wtryskiwania paliwa do cylindra Koniec wtrysku paliwa Fuel injection end KWP Koniec wtryskiwania paliwa do cylindra Wystąpienie iskry Sparking moment WI Początek rozwarcia styków przerywacza Punkt zapłonu Początek wzrostu ciśnienia spowodowany PZ Ignition point procesem spalania Tabela 2. Wielkości charakterystyczne obiegów rzeczywistych [3] Nazwa Oznaczenie Miara Określenia Kąt wtrysku (otwarcia iglicy wtryskiwacza) Injection angle Wyprzedzenie wtrysku Injection advance Wyprzedzenie zapłonu Ignition advance Zwłoka zapłonu (samozapłonu) Ignition delay α w α ww τ ww α wz h wz τ wz α zz τ wz s mm s s Kąt obrotu wału korbowego odpowiadający okresowi wtryskiwania paliwa do cylindra PołoŜenie tłoka, przy którym występuje początek wtrysku paliwa, określone względem GMP przez kąt obrotu wału korbowego lub czas PołoŜenie tłoka odpowiadające punktowi zapłonu, określone względem GMP przez kąt obrotu wału korbowego, drogę tłoka, lub czas Kąt obrotu wału korbowego lub czas, określony od wystąpienia iskry elektrycznej lub od początku wtrysku paliwa do punktu zapłonu (samozapłonu) Sporządzanie wykresu indykatorowego Pomiary szybkozmiennych ciśnień w komorze spalania najprościej i najekonomiczniej jest przeprowadzać na jednocylindrowych silnikach doświadczalnych. Określenie parametrów indykowanych wielocylindrowych silników utrudnione jest niepowtarzalnością procesów roboczych zachodzących zarówno w poszczególnych cyklach pracy pojedynczego cylindra, jak i pomiędzy poszczególnymi cylindrami. RóŜnice między wskaźnikami indykowanymi poszczególnych cylindrów mogą osiągnąć % [1]. Do indykowania silnika stosuje się specjalne systemy rejestrujące, które w czasie rzeczywistym mogą wykonywać obliczenia i analizy oraz przedstawiać je w postaci graficznej na ekranie komputera (np. Indimodul 621 firmy AVL). Rejestracji przebiegów szybkozmiennych moŝna dokonać równieŝ za pomocą komputerowego systemu rejestrującego przedstawionego na rys. 6. Zasadniczym elementem tego systemu jest komputer wyposaŝony w kartę pomiarową o duŝej częstotliwości próbkowania oraz oprogramowanie do akwizycji i analizy danych [2].

5 zbiornik z wodą do chłodzenia czujnika rurki doprowadzające wodę do czujnika szyna paliwa czujnik ciśnienia w przewodzie wtryskowym dopływ paliwa z pompy wysokiego ciśniena głowica silnka Wy czujnik ciśnienia korpus silnika We komora spalania koło pasowe wzmacniacz ładunku sygnały: napięcia i prądu wtryskiwacza, ciśnienie w kolektorze dolotowym itp. karta pomiarowa komputer rejestrujący sygnały znacznika i kąta połoŝenia wału korbowego enkoder zamontowany na końcu wału korbowego Rys. 6. Schemat stanowiska do indykowania silnika [2] Sygnał ciśnienia doprowadzany jest do komputera rejestrującego z czujnika ciśnienia współpracującego z odpowiednim torem pomiarowym. Do rejestracji ciśnień szybkozmiennych w cylindrze silnika stosuje się zazwyczaj piezoelektryczne czujniki ciśnienia (rys 7-9), w których wykorzystywany jest efekt piezoelektryczny, czyli generowanie ładunku elektrycznego przez kryształ kwarcu pod wpływem przyłoŝonej do niego siły. Przetwornik tego typu musi współpracować z tzw. wzmacniaczem ładunku, który przetwarza wytworzony przez kryształ ładunek na napięcie elektryczne. Napięcie to, rejestrowane jest przez kartę pomiarową zainstalowaną w komputerze. Uzyskane w ten sposób dane są zapisywane na dysku i mogą być w dalszej kolejności poddane analizie. Pomiary ciśnienia powinny być prowadzone w odniesieniu do połoŝenia wału korbowego, co wymaga enkodera zamontowanego na wale korbowym, którego impulsy wykorzystywane są do sterowania procesem akwizycji danych. Do indykowania silników stosuje się róŝnego rodzaju odmiany czujników ciśnienia, dostosowane zakresem pomiarowym ciśnienia, zakresem dopuszczalnych temperatur oraz wymiarami do badanych silników. Rys. 7. Piezoelektryczny czujnik ciśnienia (chłodzony) [5]: a) wymiary czujnika, b) widok czujnika

6 W przypadku braku miejsca na zamontowanie czujnika moŝe być stosowany miniaturowy czujnik montowany w miejsce świecy Ŝarowej w specjalnym adapterze (rys. 8) lub czujnik zintegrowany ze świecą (rys. 9). c) d) kabel czujnika Adapter AG03 Rys. 8. Miniaturowy czujnik ciśnienia [5]: a) wymiary czujnika, b) sposób bezpośredniego montaŝu czujnika, c) montaŝ za pomocą adaptera w otworze świecy Ŝarowej, d) widok czujnika Rys. 9. Piezoelektryczny czujnik ciśnienia zintegrowany ze świecą zapłonową [5]: a) przekrój adaptera, b) widok świecy Podczas indykowania silnika, poza pomiarem ciśnienia czynnika roboczego w cylindrze mierzone są zazwyczaj takŝe inne parametry tj.: ciśnienie w układzie wtryskowym, wznios iglicy wtryskiwacza, sygnały elektryczne sterujące pracą wtryskiwacza oraz inne, które ułatwiają analizę wykresu indykatorowego. Literatura [1] Gola M., Januła J., Litwin J.: Laboratorium silników spalinowych. Wydaw. Politechniki Radomskiej, Radom [2] Kuszewski H., Ustrzycki A.: Laboratorium spalinowych napędów środków transportu. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów [3] PN-ISO : Silniki spalinowe tłokowe - Określanie i metoda pomiaru mocy silnika - Wymagania ogólne. PKN, Warszawa [4] PN-81/M-01501: Silniki spalinowe tłokowe Podstawowe wielkości i parametry - Terminologia. PKN, Warszawa [5] Katalogi produktów firmy AVL. Graz 2010.