WYDZIAŁ MECHANICZNY POLITECHNIKI GDAŃSKIEJ KATEDRA SILNIKÓW SPALINOWYCH I SPRĘśAREK

Transkrypt

1 WYDZIAŁ MECHANICZNY POLITECHNIKI GDAŃSKIEJ KATEDRA SILNIKÓW SPALINOWYCH I SPRĘśAREK LABORATORIUM PODSTAW SILNIKÓW I NAPĘDÓW SPALINOWYCH Dr inŝ. Sławomir Makowski Ćwiczenie 2 POMIARY PODSTAWOWYCH PARAMETRÓW PRACY SILNIKÓW SPALINOWYCH 1. Parametry pracy silników spalinowych Silnik spalinowy przekształca energię cieplną uzyskaną ze spalania paliwa na pracę mechaniczną przekazywaną odbiornikowi energii. Przykładem odbiornika energii moŝe być samochód (rys. 1). Do silnika pojazdu dopływa strumień energii paliwa E pal. Silnik generuje moc uŝyteczną N e, która, pomniejszona o moc strat mechanicznych w układzie przeniesienia napędu, moŝe być wykorzystana do poruszania samochodu. Rys. I. Silnik spalinowy napędzający samochód: N str -- moc strat cieplnych i mechanicznych. N k - moc na kołach. P k - siła na kołach, V - prędkość samochodu. W d - wartość opałowa paliwa, i B - przełoŝenie w skrzyni biegów. α k - kat skręcenia kół kierowanych samochodu (pozostałe oznaczenia w tekście) Operator (w tym przypadku kierowca) steruje silnikiem poprzez parametr, od którego zaleŝy ilość energii dostarczonej do silnika w paliwie - w silnikach o zapłonie iskrowym (ZI) jest to zwykle kąt otwarcia przepustnicy a r a w silnikach o zapłonie samoczynnym (ZS) połoŝenie organu sterującego układem zasilania paliwem. Kierowca moŝe teŝ wpływać na własności pojazdu jako odbiornika energii poprzez zmianę przełoŝenia w skrzyni biegów, skręcenie kół kierowanych i włączenie hamulca. Przekształcanie energii w silniku spalinowym zaleŝy od wielu czynników, które moŝna podzielić na parametry konstrukcyjne, nastawy i zakłócenia. Nastawami nazywa się parametry, które mogą być zmieniane przez uŝytkownika podczas eksploatacji silnika. We współczesnych silnikach, sterowanych za pomocą mikrokomputera, ilość takich parametrów jest przez konstruktorów ograniczana i dąŝy do zera. Typowymi nastawami są, na przykład, kąt wyprzedzenia wtrysku i ciśnienie otwarcia wtryskiwacza w silnikach ZS. Zakłócenia to wielkości wejściowe, które działają na silnik w sposób losowy. Za zakłócenia przyjmuje się najczęściej parametry otaczającego powietrza, ciśnienie p 0, temperaturę T 0 i wilgotność Φ 0. Niezwykle istotne dla uŝytkownika silnika są wyjściowe wielkości energetyczne: moment obrotowy silnika M 0, sprawność ogólna silnika η e, której miarą jest jednostkowe zuŝycie paliwa g e. DuŜe znaczenie mają takŝe wielkości charakteryzujące oddziaływanie silnika na środowisko: emisja przebiegowa toksycznych składników spalin e LC0, e LHC:, e LNOx, (w przypadku silników. samochodów osobowych i dostawczych). poziom emitowanego hałasu L pa.

2 2. Charakterystyki silników Opis matematyczny zjawisk zachodzących w czasie pracy silnika jest bardzo trudny. Przy istniejącym stanie wiedzy nie jest moŝliwe utworzenie modelu matematycznego, który umoŝliwiłby na przykład wyliczenie wielkości wyjściowych na podstawie znanych wartości parametrów traktowanych jako wielkości wejściowe. Poznanie zaleŝności wiąŝących ze sobą parametry pracy silnika jest natomiast moŝliwe na drodze doświadczalnej. Charakterystyką silnika nazywa się wyznaczoną doświadczalnie i przedstawioną graficznie wzajemną zaleŝność wybranych parametrów pracy, przy załoŝeniu, Ŝe pozostałe parametry nie zmieniają się. ZaleŜności tworzące charakterystykę silnika mogą teŝ być przedstawione w postaci dogodnej do obliczeń komputerowych jako tablice liczbowe lub funkcje otrzymane na drodze aproksymacji matematycznej. NaleŜy podkreślić, Ŝe tak zdefiniowana charakterystyka jest wyznaczana w stanie ustalonym pracy silnika, a więc jest charakterystyką statyczną. Charakterystyka dynamiczna przedstawia przebieg wielkości wyjściowych w funkcji czasu w odpowiedzi na określone wymuszenie na wejściu. W praktyce badawczej najczęściej spotyka się dwie grupy charakterystyk statycznych silników spalinowych: charakterystyki prędkościowe, dla których zmienną niezaleŝną jest prędkość obrotowa wału silnika n; charakterystyki obciąŝeniowe, gdzie zmienną niezaleŝną jest wybrany parametr będący miarą obciąŝenia silnika (na przykład moment obrotowy M 0 ) 3. Charakterystyka prędkościowa silnika ZI Charakterystyką prędkościową silnika spalinowego nazywa się przedstawioną graficznie zaleŝność parametrów pracy silnika od prędkości obrotowej przy stałym połoŝeniu organu sterującego dopływem paliwa do silnika (w silnikach ZI przy stałym otwarciu przepustnicy. w silnikach ZS przy stałym połoŝeniu organu sterującego układem zasilania). Charakterystyka prędkościowa moŝe obrazować przebiegi dowolnych parametrów pracy silnika, jednak najczęściej sporządza się wykresy mocy uŝytecznej N e, momentu obrotowego M 0, i jednostkowego zuŝycia paliwa g e. Obiektem badań w tym ćwiczeniu będzie silnik o zapłonie iskrowym, dlatego teŝ dalsze rozwaŝania dotyczyć będą tylko silników ZI (w przypadku charakterystyk silników ZS występują róŝnice związane z innym, jakościowym a nie ilościowym, sposobem sterowania mocą oraz stosowaniem regulatorów prędkości obrotowej). Rys. 2. Schemat charakterystyki prędkościowej zewnętrznej silnika ZI Rys. 3. Schemat charakterystyki mocy częściowych silnika ZI

3 Charakterystyką zewnętrzną (pełnej mocy) jest charakterystyka prędkościowa wyznaczona przy stałym, maksymalnym otwarciu przepustnicy. Charakterystyką mocy częściowych nazywa się charakterystykę prędkościowa sporządzoną przy kilku częściowych (lecz stałych) otwarciach przepustnicy. Schemat charakterystyki zewnętrznej silnika ZI (z zaznaczonymi przebiegami mocy uŝytecznej N e momentu obrotowego M 0, sekundowego zuŝycia paliwa G e i jednostkowego zuŝycia paliwa g e ) pokazano na rys, 2. Na rys. 3 przedstawiono schemat charakterystyki mocy częściowych silnika ZI z naniesionymi przebiegami momentu obrotowego dla maksymalnego (α p1 ) i czterech częściowych otwarć przepustnicy (α p2... α p5 ). 4. Badania silników spalinowych na hamowni Silniki spalinowe mogą być badane wraz z urządzeniem, które napędzają (typowym przykładem jest badanie samochodu na drodze lub na hamowni podwoziowej) albo oddzielnie, na hamowni silnikowej. Podczas badań silnika na hamowni odbiornikiem energii jest hamulec. Obecnie stosuje się dwa typy hamulców silnikowych; hydrauliczne (zwane teŝ wodnymi gdyŝ stosowanym medium jest zwykle woda), elektryczne, które dzielą się na prądnicowe i wykorzystujące prądy wirowe (nazywane w skrócie elektrowirowymi). Energia mechaniczna generowana przez silnik spalinowy jest w hamulcu zamieniana na ciepło (hamulce hydrauliczne i elektrowirowe) i odprowadzana przez wodę chłodzącą lub przetwarzana na energie elektryczną (hamulce prądnicowe), która moŝe być zwracana do sieci. Hamulce silnikowe umoŝliwiają najczęściej pomiar momentu hamującego dzięki zastosowaniu wahliwego stojana i mierzeniu siły reakcji działającej na ramieniu o znanej długości (moment obrotowy silnika moŝe teŝ być mierzony w inny sposób, na przykład momentomierzem wałowym) Stanowisko badawcze musi być wyposaŝone w urządzenia umoŝliwiające pomiar parametrów pracy silnika z załoŝoną dokładnością oraz w urządzenia i instalacje pomocnicze (układ zasilania paliwem, układy chłodzenia, odprowadzenie spalin, instalacja elektryczna, wentylacyjna). 5. Obiekt badań i stanowisko badawcze Obiektem badań będzie silnik o zapłonie iskrowym marki FIAT typu 170 A.000 stosowany w samochodzie FIAT Cinquecento. Stanowisko badawcze tego silnika zostało zbudowane w ramach projektu badawczego KBN kierowanego przez prof. M. Cichego. UmoŜliwia ono badania własności dynamicznych silnika (po dołączeniu zespołu kół zamachowych symulujących masę napędzanego pojazdu). Stanowisko wyposaŝone jest w hamulec na prądy wirowe AMX 30. Pomiar siły reakcji P r wahliwego stojana hamulca realizowany jest przetwornikiem tensometrycznym. Moment obrotowy jest wyliczany przez układ pomiarowy i wyświetlany w postaci cyfrowej. Prędkość obrotowa mierzona jest przetwornikiem indukcyjnym. Do pomiaru zuŝycia paliwa zastosowano oryginalny paliwomierz wagowy, który został skonstruowany pod kierunkiem prof. M. Cichego. Dzięki precyzyjnej wadze elektronicznej, na której stoi naczynie pomiarowe z paliwem oraz specjalnemu oprogramowaniu moŝliwe są pomiary zuŝycia paliwa w stanach nie ustalonych pracy silnika. (W ćwiczeniu wszystkie pomiary wykonywane będą w stanach ustalonych.) Zastosowany na stanowisku zintegrowany układ chłodzenia cieczy chłodzącej silnik i oleju smarującego został skonstruowany i wykonany w Katedrze SSiS. Schemat stanowiska badawczego pokazano na rys Pomiar i wyliczanie podstawowych parametrów pracy silnika Zadaniem studentów będzie wykonanie pomiarów i obliczeń umoŝliwiających sporządzenie charakterystyki prędkościowej (zewnętrznej lub częściowej) silnika ZI. W czasie ćwiczenia mierzone będą następujące parametry: prędkość obrotowa wału silnika n za pomocą przetwornika indukcyjnego; moment obrotowy silnika M 0 za pomocą hamulca dynamometrycznego na prądy wirowe; sekundowe zuŝycie paliwa G e, przy uŝyciu paliwomierza wagowego.

4 KATEDRA SILNIKÓW SPALINOWYCH I SPRĘśAREK LABORATORIUM PODSTAW SILNIKÓW I NAPĘDÓW SPALINOWYCH Nazwisko i imię:... Grupa:... Data:... Ćwiczenie 2 Pomiary podstawowych parametrów pracy silników spalinowych l. Przebieg pomiarów na stanowisku badawczym: Nastawić Ŝądany kąt otwarcia przepustnicy za pomocą potencjometru sterownika 6 (rys. 4) - kąt ten pozostaje nie zmieniony podczas wykonywania pomiarów. Zmieniać prędkość obrotową n układu silnik - hamulec za pomocą potencjometru sterującego wzbudzeniem hamulca na prądy wirowe (zakres i krok zmian prędkości obrotowej określi prowadzący ćwiczenie). Dla kaŝdej nastawionej wartości prędkości obrotowej odczytać i zapisać w tab. l wielkości mierzone (po ustaleniu warunków pracy silnika w danym punkcie). Podczas wykonywania pomiarów odczytać jednorazowo ciśnienie, temperaturę i wilgotność otaczającego powietrza. 2. Tablica wielkości pomierzonych n M 0 G e n M 0 zred M 0 aproks L.p. obr/min N m g/s obr/s N m N m P 0 = t 0 = T 0 = Φ 0 = 3. Wykres momentu obrotowego i sekundowego zuŝycia paliwa w funkcji prędkości obrotowej Wykres naleŝy sporządzić na papierze milimetrowym i dołączyć do sprawozdania.

5 4. Tablica wielkości odczytanych z wykresu 3 i obliczonych n M 0 G e N e g e L.p, obr/s Nm g/s kw mg/kj lub g/kwh* *) niepotrzebne skreślić 5. Wykres mocy uŝytecznej i jednostkowego zuŝycia paliwa w funkcji prędkości obrotowej Wykres naleŝy sporządzić na papierze milimetrowym i dołączyć do sprawozdania.