OPÓR PRZEPŁYWU W UKŁADZIE DOLOTOWYM JAKO ELEMENT REGULACJI OBCIĄŻENIA SILNIKA SPALINOWEGO

Transkrypt

1 ZBIGNIEW ŻUDKA, STEFAN POSTRZEDNIK OPÓR PRZEPŁYWU W UKŁADZIE DOLOTOWY JAKO ELEENT REGULACJI OBCIĄŻENIA SILNIKA SPALINOWEGO Streszczenie Abstract FLOW RESISTANCE IN INDUCTION SYSTE AS ELEENT OF LOAD GOVERNING OF INTERNAL COBUSTION ENGINE W artykule rzerazn analizę gólneg rzyaku ymiany łaunku, którym szczególnie uzglęnia się rces naełniania silnika. Isttną rlę, ukłazie ltym grya ór rzełyu na rzeustnicy, rzee szystkim rzyaku częścieg jej tarcia. W tyych rziązaniach silnikó załnie iskrym ór ten sełnia rlę elementu regulacji bciążenia. Prblematykę zilustran ynikami baań ekserymentalnych sakó ciśnienia Δ strnie łyu śieżeg łaunku silnika załnie iskrym. Określn zajemne zależnści mięzy ekslatacyjnymi arametrami racy silnika a arunkami rzełyu śieżeg łaunku. Sła klucze: regulacja ilścia, ukła lty, ór rzełyu, ymiana łaunku General case f charge exchange as investigate an analyse. Filling rcess f engine as taken int secial cnsieratin. Fl resistance n a thrttle valve lays an imrtant art in an inuctin system, esecially in case f artial ening. This resistance erfrms a functin f la cntrl element in tyical sark-ignitin engines. The rblems ere illustrate by exerimental results f ressure rs f air in the inuctin system f the engine. Intereenences beteen engine eratin arameters an cnitins f fresh charge fl ere etermine. Keyrs: quantity gverning, inuctin system, fl resistance, charge exchange, ressure r Dr inż. Zbignie Żmuka, rf. r hab. inż. Stefan Pstrzenik, Instytut Techniki Cielnej, Wyział Inżynierii Śriska i Energetyki, Plitechnika Śląska Gliicach.

2 190 Oznaczenia E arametr energetyczn-stechimetryczny L raca biegu [J] Q ilść cieła starczneg biegu [J] Q ilść cieła yrazneg z biegu [J] T temeratura [K] V bjętść [m 3 ] γ arametr (stień) bciążenia Δ śreni saek ciśnienia strnie łyu łaunku silnika [Pa] Δ śreni saek ciśnienia strnie yłyu salin z silnika [Pa] ε stień kmresji φ arametr (stień) ciążenia Ψ liczba rzziału cieła 1. Ilścia regulacja bciążenia silnika salineg Straty egzergii ystęujące rcesie knersji energii silniku salinym ziązane są m.in. z rcesem ymiany łaunku. Prces ten jest ściśle ziązany ze ssbem regulacji bciążenia silnika salineg. Stsane są a systemy regulacji siąganej mcy [1]: 1) regulacja ilścia stsana silnikach z załnem iskrym (ZI). W tym systemie staym elementem regulacji bciążenia jest ór rzełyu łaunku ukłazie ltym, ustalany rzez ienie ustaienie rzeustnicy, 2) regulacja jakścia stsana silnikach z załnem samczynnym (ZS), której isttną cechą regulacyjną jest szerki zakres zmian stsunku λ namiaru ietrza. Charakterystyczne cechy ilściej regulacji bciążenia silnika [1]: asanie masy czynnika rbczeg (suma masy razneg ietrza raz masy aki alia) aktualneg zatrzebania mcy, c skutkuje zazyczaj ienim zimem ciśnienia 1 cylinrze jeg naełnieniu, stan ymaganeg asania masy czynnika rbczeg siąga się najczęściej rzez ienie ustaienie rzeustnicy (łaienie) na kanale łyym, czas rzełyu gazu rzez rzeustnicę ma miejsce intensyne łaienie łynu (izentale), które jak rzemiana zasze nieracalna generuje straty egzergii (zrst yknanej racy ymiany łaunku) rcesie naełniania silnika [2], stsunek λ namiaru tlenu (ietrza) raz skła stechimetryczny mieszanki alnej rzygtanej rcesu salania zstają raie na niezmieninym zimie, niezależnie sameg bciążenia silnika. 2. Praca teretyczneg biegu rónaczeg silnika salineg z uzglęnieniem racy ymiany łaunku Teretyczną, jakścią i ilścią analizę łyu ró Δ rzełyu śieżeg łaunku rzez ukła lty raz ró Δ yłyu salin ukłazie yltym na

3 racę silnika rzerazn, rzyjmując bieg rónaczy Seiligera Sabathe a jak mel rcesó zachzących silniku salinym załnie iskrym (rys. 1) Q,v 3 Q, 4 L = L,(+) - L,(-) 2 2 L,(+) Δ Δ 9 V Q V V 2 =V 3 V s = V 1 V 2 V 1 L,(-) < 0 Rys. 1. Obieg rónaczy Seiligera Sabathe a z uzglęnieniem ró i racy ymiany łaunku Fig. 1. Seiliger Sabathe cycle ith charge exchange resistance an rk Dla biegu Seiligera Sabathe a zefinian charakterystyczne arametry [1]: stień kmresji V1 ε = (1) V arametr (stień) bciążenia (V = iem) 2 3 γ = (2) 2 arametr (stień) ciążenia ( = iem) V V 4 ϕ = (3) 3

4 192 liczba rzziału cieła Q, v Ψ = (4) Q arametr energetyczn-stechimetryczny Q E = (5) 1 V 1 gzie arametry ystęujące yższych efinicjach zaznaczn na rys. 1. Na artść yznaczanej racy biegu isttny ły ma raca ymiany łaunku. Rzażania tyczą gólneg rzyaku ymiany łaunku, którym uzglęnia się zarón rces naełniania silnika, jak rónież rces yłyu salin, c mżna yrazić arunkami gzie: Δ Δ 0 Δ Δ > 0, > 0 (6) 0 0 śreni saek ciśnienia strnie łyej cylinra [Pa], śreni saek ciśnienia strnie yłyej z cylinra [Pa], ciśnienie nrmalne (tczenia) [Pa]. Wielkść racy L ymiany łaunku la jeneg cyklu ynsi gzie: L na L y L = Lna + Ly, Lna > 0, Ly < 0 ale Ly > Lna L < 0 (7) raca naełniania cylinra śieżym łaunkiem [J], raca ziązana z yłyem salin z cylinra silnika [J]. Wartść racy L ymiany łaunku mżna szacać jak L ( Δ + Δ ) V s (8) gzie V s jest bjętścią skką cylinra [m 3 ]. Wyznaczając ielkść racy biegu L, z uzglęnieniem racy L ymiany łaunku, należy ziąć uagę nie tylk artść samej racy ymiany łaunku, ale także fakt bniżenia ciśnienia czątkeg 1 biegu artść Δ czas naełniania cylinra 1 = 0 Δ (9)

5 raz yższenie ciśnienia kńceg 6 artść Δ czasie yłyu salin 193 W takim ujęciu racę biegu L mżna yznaczyć jak [1, 3] 6 = 0 + Δ (10) L = V (11) b Całkę (11) mżna zaisać jak sumę rac bezzglęnych L i szczególnych rzemian trzących bieg L = L L (12) L2 3 + L3 4 + L4 5 + L5 6 L6 7 + L Wyznaczając skłae race bezzglęne i sumując je zgnie ze zrem (12), raca L biegu yraża się zależnścią gzie mcnicza funkcja Δ ε 1 ε 1 Δ L ( ) ( ε γ ϕ) + = 0V1 FL ε, γ, ϕ FL,, (13) 0 ε ε 0 κ [ ] ( γ ϕ 1) ( κ 1 ) ( γ 1) + κ γ ( ϕ 1) ε F L ( ε, γ, ϕ) = (14) κ 1 Obieg iealny charakteryzuje się brakiem ró rzełyu ukłazie ltym i yltym Δ = 0 raz Δ = 0 (15) ską ynika, że raca ymiany łaunku także ynsi zer: L = 0. Natmiast raca L,0 biegu iealneg mże być yrażna zależnścią ( V ) F ( ε, γ ϕ) L =, (16), L Ilraz (13)/(16) umżliia yznaczenie zglęnej racy biegu L L Δ = 1 0 ε 1 + ε FL 1 ε ( ) Δ 1 + ( ε, γ, ϕ ε F ε, γ, ϕ), 0 0 L (17) Graficznym brazem funkcji (17) zglęnej racy biegu Seiligera Sabathe a jest ierzchnia rzestaina na rys. 2. Z ukształtania analizanej funkcji ynika, że

6 194 saek ciśnienia Δ na łyie silnika czas zasilania śieżym łaunkiem znacznie intensyniej ziałuje na artść racy biegu niż ry Δ rzełyu salin rzez ukła ylty. L,0 Δ = 0 Δ = 0 B 0,0 0,10,2 Δ / 0 0,5 0,7 ~ bieg jały 0,8 A 0,2 0,1 0,0 ~ bciążenie maksymalne 0,5 1,0 L /L,0 0,9 0,8 0,7 0,5 0,2 0,1 0,0 Obieg Seiligera Sabathe a Obieg ε Seiligera-Sabathe'a = 8,8; E = 30; Ψ = 0,9 ε =8,8; E=30; Ψ=0,9 LL /L /L,0,0 = = = f(δ / / 00 ;; Δ Δ / / 0 ) 0 ) Δ Δ / 0 / 0 Rys. 2. Wzglęna raca biegu rónaczeg Seiligera Sabathe a zależnści ró ukłau lteg i ylteg Fig. 2. Relative rk f Seiliger Sabathe cycle versus resistance f inuctin an exhaust system Wzglęną racę biegu rzestain na rys. 2 ełnym zakresie zmian ró rzełyu. Dlateg też zaznaczn kilka charakterystycznych unktó: L,0 unkt racy biegu iealneg, la Δ = 0 raz Δ = 0, A unkt iaający racy silnika na biegu jałym, charakteryzujący się użym sakiem ciśnienia Δ śieżeg łaunku ukłazie ltym, który jest rezultatem rzee szystkim minimalneg tarcia rzeustnicy tym unkcie racy silnika. Jencześnie ukłazie yltym bseruje się nieielki saek ciśnienia Δ, c jest efektem małeg strumienia salin, B unkt iaający racy silnika z maksymalnym bciążeniem, charakteryzujący się małym sakiem ciśnienia Δ ukłazie ltym, który jest efektem ełneg tarcia rzeustnicy raz użym sakiem ciśnienia Δ ukłazie yltym, ziązanym z użą artścią strumienia salin. Pzstałe unkty racy silnika, czyli te ziązane z częściym tarciem rzeustnicy, bęą łżne bliżu linii łączącej a skrajne unkty (A i B) racy silnika. 3. Oór rzełyu śieżeg łaunku ukłazie ltym Przerazn ekserymentalne baania ró rzełyu ukłazie ltym silnika załnie iskrym. Wielkścią charakteryzującą baany ór jest śreni saek ciśnienia Δ czas rzełyu śieżeg łaunku silnika, który yznaczan na -

7 staie baań inykacyjnych silnika. Znając rzebieg yznacznej ekserymentalnie funkcji ciśnienia cylinrze, zależnści bjętści V rzestrzeni rbczej 195 = f (V ) (18) śreni saek ciśnienia ukłazie ltym yznaczan z zależnści VDZP Δ = 0 Vs (19) gzie: V s bjętść skka cylinra [m 3 ], 0 ciśnienie tczenia [Pa], V GZP bjętść cylinra rzy górnym zrtnym łżeniu (GZP) tłka (bjętść V k kmry salania) [m 3 ], V DZP bjętść cylinra rzy lnym zrtnym łżeniu (DZP) tłka (bjętść V 1 całkita) [m 3 ]. VGZP Obiektem baań był silnik załnie iskrym, ty 1170A Plan ekserymentu na tle la racy silnika ukłazie: r& (rękść brta mment brty), ramach któreg kreśln unkty racy silnika, których knyan miaró rzestain na rys. 3. V silnik 170A1.046 ȯz,,max = 59,6 Nm/ra Nm ra r [br./min] Rys. 3. Plan ekserymentu na tle la racy = f (r& ) baaneg silnika ZI Fig. 3. Exeriment scheme against the backgrun f eratin range = f (r& ) f SI engine teste

8 196 Wyniki baań sakó ciśnień Δ ietrza strnie nałyej zależnści bciążenia (mmentu brteg) bezzglęneg, rzy ustalnych rękściach brtych silnika, rzestain na rys. 4. Dla rónania, baane saki ciśnień Δ rzestain także funkcji mcy efektynej N e (rys. 5). Δ 0 / 0 Δ 0,7 0,5 0,2 silnik silnik ZI 170A1.046, in. ΔΔ/0= 0 = f(f(), & r = iem 5000 br./min 4000 br./min 3000 br./min 2000 br./min 0,1 0, [Nm/ra] 1000 br./min Rys. 4. Śreni saek ciśnienia Δ strnie łyu śieżeg łaunku silnika, całym lu jeg racy, zależnści mmentu brteg Fig. 4. ean ressure r Δ in the inuctin system, fr hle eratin range f the engine, versus trque Nie bseruje się isttneg łyu rękści brtej silnika na ielkść saku ciśnienia Δ strnie nałyu śieżeg łaunku (rys. 4). Znaczący ły na artść saku ciśnienia Δ ma natmiast bciążenie silnika, c ziązane jest głónie z kątem tarcia rzeustnicy. aksymalne rzymknięcie rzeustnicy na biegu jałym ( = 0) skutkuje najiększą artścią saku ciśnienia Δ. Jeg artść maleje raz ze zrstem bciążenia, c jest rezultatem stnieg tierania rzeustnicy. Saek ciśnienia Δ siąga artści najniższe na charakterystyce ekslatacyjnej, zenętrznej, tzn. rzy maksymalnym bciążeniu, c iaa ełnemu tarciu rzeustnicy (rys. 4 i 5). Na rysunku 4, rzestaiającym ielkść saku ciśnienia Δ ukłazie ltym, funkcji mmentu brteg, jak już cześniej smnian, bseruje się nieznaczny ły rękści brtej na ten saek ciśnienia. Zatem tym ujęciu mżna yznaczyć jeną krzyą arksymacji, bejmującą całe le racy silnika, n. Δ = f 0,max (20) gzie ( /,max ) znacza zglęny mment brty, niesiny maksymalneg mmentu brteg,max silnika.

9 Δ / 0 0 Δ 0,7 0,5 0,2 silnik silnik ZI170A1.046, in. Δ/0= 0 = f(ne), e r & = = iem 5000 br./min 4000 br./min 3000 br./min 2000 br./min 197 0, br./min 0, N e [kw] Rys. 5. Śreni saek ciśnienia Δ strnie łyu śieżeg łaunku silnika, całym lu jeg racy, zależnści mcy efektynej N e Fig. 5. ean ressure r Δ in the inuctin system, fr hle eratin range f the engine, versus er utut N e 0,7 0,5 silnik ZI Δ / 0 = f( /,max ) yniki miaró Δ 0 /0 0,2 0,1 0,0 Δ 0 0,0438 =,max ,0 0,2 0,8 1,0,max Wielm. rónanie (yniki karate miaró) /,max Rys. 6. Śreni saek ciśnienia Δ ukłazie ltym, zależnści zglęneg mmentu brteg /,max ; arksymacja ielmianem rugieg stnia Fig. 6. ean ressure r Δ in the inuctin system versus relative trque /,max ; quaratic lynmial arximatin Zestaienie różnic tablicych ykazał, że krzyymi arksymacji mgą być ielmiany ierszeg lub rugieg stnia. Wsółczynniki rónań arksymujących ane miare yznaczn metą najmniejszych karató, trzymując: ielmian ierszeg stnia staci Δ =,max (21)

10 198 ielmian rugieg stnia staci Δ 0 0,0438 =,max 2 154,max (22) Przebieg krzyej arksymacji ielmianem rugieg stnia na tle unktó miarych kazan na rys. 6. Przestain tylk ielmian rugieg stnia, nieaż rzebieg ielmianu ierszeg stnia niemal raktycznie się z nim krya. 4. Psumanie Analiza teretyczna raz baania ekserymentalne silnika załnie iskrym ykazały sółzależnść śrenieg saku ciśnienia Δ ietrza strnie łyej silnika i śrenieg saku ciśnienia Δ salin strnie yłyej z silnika raz ich ścisłą zależnść arametró ekslatacyjnych silnika (aktualneg unktu racy). Stierzn, że ry rzełyu ukłazie ltym znacznie intensyniej ziałują na artść racy biegu (silnika) niż ry rzełyu salin rzez ukła ylty. Wzajemna zależnść ró rzełyu ukłau lteg i bciążenia jest zbliżna liniej. Zatem ór ten brze naaje się na element ilściej regulacji siąganej rzez silnik mcy. Należy jenak mieć na uaze, że ziększanie ru rzełyu śieżeg łaunku ziększa racę ymiany łaunku, jencześnie rzyczyniając się zmniejszenia racy enętrznej i efektynej. Sytuacja taka razi także saku sranści efektynej silnika, szczególnie zakresie bciążeń częściych. Praca yknana ramach baań naukych realizanych Instytucie Techniki Cielnej Plitechniki Śląskiej. Literatura [1] Pstrzenik S., Ż muka Z., Termynamiczne raz eklgiczne uarunkania ekslatacji tłkych silnikó salinych, Wyanict Plitechniki Śląskiej, Gliice [2] Pstrzenik S., Termynamika zjaisk rzełyych, Wyanict Plitechniki Śląskiej, Gliice [3] S z a r g u t J., Termynamika techniczna, Wyanict Plitechniki Śląskiej, Gliice 2000.