Konrad PRAJWOWSKI, Tomasz STOECK ELASTYCZNOŚĆ SILNIKA ANDORIA 4CTI90 Streszczenie W artykule opisana jest elastyczność silnika ANDORIA 4CTi90 obliczona na podstawie rzeczywistej charakterystyki prędkościowej ściągniętej na hamowni silnikowej AVL Dynoperform 160 w Katedrze Eksploatacji Pojazdów Samochodowych w Zachodniopomorskim Uniwersytecie Technologicznym w Szczecinie (była Politechnika Szczecińska). WSTĘP Do napędu samochodów są powszechnie stosowane tłokowe silniki spalinowe. Należą one do rodziny silników cieplnych, czyli takich, które przetwarzają energię cieplną otrzymywaną w wyniku spalania paliw ciekłych lub gazowych na pracę mechaniczną. Od takich własności silnika, jak moc użyteczna (N e ), użyteczny moment obrotowy (M o ), zdolność samoczynnego dostosowania się do zmiany oporów ruchu, zależą własności ruchowe i użytkowe samochodu. Moment obrotowy (M o ) oraz prędkość wału korbowego(n) mierzone są na hamowni przy określonych warunkach pomiaru, natomiast moc (N e ) mierzona jest pośrednio. Zależności między tymi parametrami przedstawiane są na charakterystyce zewnętrznej. Korzystając z charakterystyki zewnętrznej, można określić zdolność samoczynnego dostosowania się silnika do zmiany oporów ruchu, czyli jego elastyczności (E). Silniki spalinowe Małe zużycie paliwa Niska toksyczność spalin Duża elastyczność Rys. 1. Właściwości eksploatacyjne silników Źródło: [2]. 340 AUTOBUSY
W Polsce na ogół rozpatruje się takie aspekty pracy silnika jak moc jednostkowa, zużycie paliwa czy toksyczność spalin, pomijając wpływ momentu obrotowego na wspomniane wskaźniki. W dzisiejszej dobie postępu technicznego silników spalinowych, brane są pod uwagę takie własności eksploatacyjne jak: zużycie paliwa, toksyczność spalin oraz elastyczność. 1. STANOWISKO BADAWCZE Ośrodki badawcze w celu określenia rzeczywistych parametrów silnika takich jak: moc, zużycie paliwa, itp. noszących nazwę parametrów roboczych silnika wykonują określone badania w specjalnym laboratorium na stanowisku badawczym, zwanym hamownią silnikową. Zależnie od potrzeb, zakres badań może być bardzo rozmaity od prymitywnych pomiarów mocy i zużycia paliwa, do skomplikowanych badań naukowych w zależności od wyposażenia hamowni silnikowej. W Katedrze Eksploatacji Pojazdów Samochodowych ZUT w Szczecinie przeprowadzono badania na stanowisku badawczym przedstawionym na rysunku 2. Rys. 2. Schemat stanowiska badawczego z silnikiem ANDORIA 4CTi90; 1 miernica AMX212F, 2 silnik 4CTi90, 3 hamulec Dynoperform 160, 4 termometr cieczy chłodzącej, 5 termometr cieczy chłodzącej 6 zbiornik cieczy chłodzącej, 7 miernik temperatury spalin, 8 dymomierz MDO 2 z pulpitem sterującym Źródło: Opracowanie własne. Jednym z ważniejszych elementów na stanowisku badawczym jest hamulec obciążający silnik spalinowy ANDORIA 4CTi90-1BE6 (tab. 1.) z płynną regulacją wartości obciążenia zadanego. Podczas badań wykorzystano hamulec elektrowirowy firmy AVL Dynoperform 160 wraz z miernicą masową AUTOMEX AMX 212F. AUTOBUSY 341
Tab. 1. Dane techniczne producenta silników ANDORIA Typ silnika Lp. Parametr 4CT90-BEA 4CTi90-1BE6 4CTi90BE 1. Rodzaj silnika Wysokoprężny, czterosuwowy z wtryskiem pośrednim do komory wirowej 2. Rodzaj rozrządu Górnozaworowy z wałkiem rozrządu umieszczonym w głowicy 3. Ilość i układ cylindrów 4, pionowy 4. Skok tłoka [mm] 95 5. Średnica cylindra [mm] 90 6. Objętość skokowa [cm 3 ] 2417 7. Stopień sprężania 21,1 8. Ciśnienie sprężania (w nowym silniku) [MPa] 3 9. Moc znamionowa 66 kw (90 KM) wg ISO 1585 75 kw (90 KM) wg ISO 1585 Prędkość obrotowa 10. przy mocy znamionowej [obr/min] 4 100 11. Maksymalny moment obrotowy [Nm] 195 205 230 Prędkość obrotowa 12. przy momencie maksymalnym [obr/min] 2500 2000-2500 Minimalna prędkość obrotowa 13. na biegu jałowym [obr/min] 800 Jednostkowe zużycie paliwa 14. przy momencie maksymalnym [g/kwh] ok. 255 ok. 270 ok. 255 Źródło: Wytwórnia Silników Wysokoprężnych ANDORIA S.A.: Instrukcja napraw silników 4C90, 4CT90-1, Andrychów 2005. 2. ELASTYCZNOŚĆ SILNIKA W dostępnej literaturze ostatnich lat około 80 % publikacji dotyczących elastyczności pochodzi z Katedry Eksploatacji Pojazdów Samochodowych Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie. Podstawową pracą w oparciu, o którą prowadzone są od lat badania w KEPS jest książka prof. M. Dębickiego Teoria samochodu. Teoria napędu, w której zdefiniowano elastyczność silnika w oparciu o przebieg charakterystyki zewnętrznej silnika spalinowego, a szczególnie przebieg krzywej momentu obrotowego. Rys. 3. Schemat charakterystyki zewnętrznej silnika trakcyjnego Źródło: [3]. 342 AUTOBUSY
Elastyczność można wyznaczyć między innymi na podstawie charakterystyki zewnętrznej silnika, w sposób podany niżej: E M n o max N em en (1) M N nmo max gdzie: e M rozpiętość momentu obrotowego, e n rozpiętość prędkości obrotowej, M omax maksymalny moment obrotowy silnika, M N moment obrotowy odpowiadający mocy znamionowej, n Momax prędkość obrotowa maksymalnego momentu obrotowego, n N znamionowa prędkość obrotowa. Pierwszy z czynników iloczynu przedstawia rozpiętość (elastyczność) momentu obrotowego i zależy ona od przebiegu krzywej momentu obrotowego silnika. Przebieg ten z kolei zależy od szeregu czynników, takich jak: parametry charakterystyczne układu dolotowego, charakterystyka rozrządu, charakterystyka układu zasilania. Przez zmianę tych parametrów można wpływać na przebieg krzywej momentu obrotowego w kierunku pożądanym przez użytkownika, tak by silnik był dobrze przystosowany do wykonywanych zadań. Sposób realizacji poprawy elastyczności momentu obrotowego zależy od możliwości wykonawczych i analizy opłacalności danego rozwiązania w przypadku konkretnego silnika. Jeśli chodzi o możliwości zmian drugiego czynnika iloczynu, to jest on ściśle związany ze zmianą pierwszego członu polegającą na przemieszczaniu położenia maksimum krzywej momentu obrotowego. Od położenia tego maksimum zależy rozpiętość prędkości obrotowej i przez ingerencję na jej wartość można skutecznie sterować elastycznością silnika. 3. WYNIKI BADAŃ W trakcie badań na hamowni silnikowej uzyskano następujące wyniki przedstawione w tabeli 2. Tab. 2. Wyniki pomiarów n [obr/min] Mo [Nm] N [kw] G [g/s] ge [g/kwh] k [1/m] 1000 123 13,0 1,02 282,46 0,00 1400 163 24,0 1,86 279,00 0,90 1800 192 36,5 2,61 257,42 0,45 2200 203 46,5 3,35 259,35 0,40 2600 199 53,9 4,00 267,16 0,50 3000 190 60,0 4,50 270,00 0,65 3400 180 64,0 5,00 281,25 0,80 3800 164 65,7 5,30 290,41 0,80 4000 157 66,0 5,50 300,00 0,80 Źródło: Opracowanie własne. Na podstawie tabeli 2 oraz wzoru (1) wyznaczono rozpiętość momentu obrotowego e M = 1.29, rozpiętość prędkości obrotowej e n = 1.89 oraz elastyczność silnika 4CTi90 równą E = 2,44, co świadczy o średnio elastycznym silniku wg Flossel. Porównując wyniki parametrów silnika uzyskane na hamowni silnikowej z danymi producenta, od razu można zauważyć zgodność pomiędzy maksymalnym momentem obrotowym, a także mocą znamionową. Dla pełnego przedstawienia przebiegu mocy i momentu obrotowego wykreślono ich wykres na rysunku 4. AUTOBUSY 343
Rys. 4. Wykres mocy i momentu silnika Andoria 4CTi90-1BE6 Źródło: Opracowanie własne BIBLOGRAFIA 1. Dębicki M.: Teoria samochodu teoria napędu, WNT, Warszawa 1969. 2. Mysłowski J.: Doładowanie silników, WKiŁ, Warszawa 2006. 3. Mysłowski J.: Kołtun J.: Elastyczność tłokowych silników spalinowych, WNT, Warszawa 2000. 4. Prajwowski K.: Elastyczność silnika wysokoprężnego na mocach częściowych, Politechnika Szczecińska, Szczecin 2007. 5. Prajwowski K., Tarczyński G.: Analityczne wyznaczenie charakterystyk mocy częściowych za pomocą wzorów Leidemanna, Archiwum Motoryzacji 2005, nr 1. THE FLEXIBILITY OF AN ENGINE ANDORIA 4CTI90 Abstract In the article a flexibility of ANDORIA 4CTi90 engine is described which was calculated on speed characteristics taken or AVL Dynoperform 160 dynamometer in Faculty at Motor Vehicles Exploitation of West Pomeranian University of Technology, Szczecin (former Technical University of Szczecin) Autorzy: dr inż. Konrad Prajwowski Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie dr inż. Tomasz Stoeck Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie 344 AUTOBUSY