Wydzał Samochodów Maszyn Roboczych Instytut Pojazdów LABORATORIUM POKŁADOWEJ DIAGNOSTYKI POJAZDÓW Dagnostyka slnka spalnowego o zapłone samoczynnym na podstawe wykresu ndykatorowego Opracowane Dr nż. Ewa Fudalej-Kostrzewa Warszawa, maj 2017
2 SPIS TREŚCI Wykres ndykatorowy... 3 Cel ćwczena... 6 A. OPRACOWANIE DANYCH... 6 Polecena... 6 1. Sporządzć otwarty wykres ndykatorowy p(α)... 6 2. Sporządzć zamknęty wykres ndykatorowy p(v)... 7 3. Wyznaczyć średne cśnene ndykowane p śr... 8 4. Oblczyć moc ndykowaną slnka N... 8 5. Wyznaczyć średne cśnene użyteczne p e... 8 6. Wyznaczyć pracę użyteczną L e... 9 7. Wyznaczyć sprawność mechanczną η m... 9 8. Wyznaczyć cepło doprowadzone do jednego obegu... 9 9. Wyznaczyć sprawność ogólną η o... 9 10. Wyznaczyć pozostałe sprawnośc slnka... 10 11. Sporządzć wykres blansu... 10 12. Opsać wykres ndykatorowy... 10 B. SPRAWNOŚCI I BILANS ENERGII... 15 WYKAZ LITERATURY... 17
3 Opracowane: dr nż. Ewa Fudalej-Kostrzewa WYKRES INDYKATOROWY Rzeczywsty wykres pracy slnka spalnowego nazywany wykresem ndykatorowym przedstawa przebeg cśnena p w cylndrze roboczym pracującego slnka w zależnośc od kąta obrotu α wału korbowego nos wtedy nazwę wykresu ndykatorowego otwartego lub w zależnośc od objętośc V gazów zawartych w cylndrze mędzy głowcą a tłokem - nos wtedy nazwę wykresu ndykatorowego zamknętego. Wykres ndykatorowy wyznacza sę za pomocą zestawu aparatury do ndykowana zwanego ndykatorem, składającego sę z czujnka cśnena umeszczonego w komorze spalana, wzmacnacza ładunku, czujnka położena kątowego wału korbowego slnka rejestratora. Indykowane slnka praktyczne sprowadza sę do pomaru cśnena panującego w cylndrze pracującego slnka spalnowego w zależnośc od kąta obrotu wału korbowego podczas jednego cyklu pracy. Na rysunkach 1 2 są pokazane przykładowe otwarte wykresy ndykatorowe dla jednego cyklu pracy slnka w jednym cylndrze, uzyskane z pomarów 1. Rys. 1. Otwarty wykres ndykatorowy slnk 115C, maksymalny moment Rys. 2. Otwarty wykres ndykatorowy slnk 115C, maksymalna moc 1 Dr nż. Macej Tułodzeck, Badana slnka 115C
4 W praktyce slnkowej wadomo, że kolejne cykle pracy w tym samym cylndrze mogą różnć sę mędzy sobą w bardzo dużym stopnu. Zjawsko to nazwano nepowtarzalnoścą kolejnych cykl pracy. Zasadnczym jego przyczynam są: nejednakowe napełnene cylndra śweżym ładunkem, nejednakowy przebeg procesu spalana. Wobec tak znacznych różnc pomędzy przebegam kolejnych cykl pracy, do wyznaczene reprezentatywnego wykresu ndykatorowego stosuje sę metody statystyczne ch uśrednana. Na rys. 3 4 jest przedstawonych klkadzesąt cykl pracy w jednym cylndrze slnka następujących kolejno po sobe. Ne są one dentyczne. Na kolejnych wykresach znaczne różną sę wartośc maksymalnego cśnena (jedna dzałka ponowa odpowada cśnenu 1 MPa) a w konsekwencj równeż kształt wykresów. Rys. 3. Zagęszczone wykresy ndykatorowe slnk 115C, maksymalny moment Rys. 4. Zagęszczone wykresy ndykatorowe slnk 115C, maksymalna moc Wykresy ndykatorowe dostarczają bardzo welu nformacj o przebegu zjawsk zachodzących wewnątrz cylndra pozwalają na wycągnęce welu ważnych wnosków. Stanową podstawę do wyznaczena sły nacsku gazów na denko tłoka zwanej w slnkach słą gazową, która oddzałując na układ korbowy wywołuje obcążene jego elementów. Mernkem obcążena układu korbowego slnka słam nacsku gazów jest średne cśnene ndykowane. Dla właścwego przebegu procesu spalana szczególne znaczene ma właścwy kąt wyprzedzena zapłonu w przypadku slnków o zapłone skrowym, a w przypadku slnków o zapłone samoczynnym kąt wyprzedzena wtrysku.
5 Wpływ kąta wyprzedzena zapłonu Zbyt wczesny czy też zbyt późny w stosunku do GMP przeskok skry mędzy elektrodam śwecy zmnejsza, poza nnym ujemnym skutkam, pole wykresu ndykatorowego slnka, czyl pracę uzyskwaną w cylndrze podczas jednego cyklu roboczego (rys. 5). Rys.5. Wykresy ndykatorowe przy różnych kątach wyprzedzena zapłonu (pomnęta pętla wymany ładunku): a) zbyt późnym, b) optymalnym, c) zbyt wczesnym Zbyt wczesny zapłon powoduje ponadto gwałtowny wzrost cśnena w czase, kedy tłok jest jeszcze oddalony od GMP. Sprzyja to powstawanu znacznych obcążeń układu korbowego. Zbyt późny zapłon powoduje z kole przesunęce właścwego spalana na suw rozprężana, co staje sę przyczyną znacznego pogorszena sprawnośc ogólnej slnka, a ponadto groz nebezpeczeństwem przegrzana cylndra, tłoka w przede wszystkm zaworu wylotowego. To przegrzane może w rzeczywstych warunkach spowodować zatarce tłoka, a węc cężke uszkodzene slnka. Newłaścwy początek spalana może wynkać ne tylko z neprawdłowej regulacj chwl wyładowana elektrycznego na elektrodach śwecy zapłonowej. Może sę on także pojawć wskutek tzw. samozapłonu meszanny palnej. Samozapłon może wystąpć, jeżel meszanna w cylndrze zostane mejscowo lub w całej swojej mase nagrzana nadmerne, to jest tak, że zostane przekroczona temperatura zapłonu. Nadmerne nagrzane meszanny palnej w całej jej mase może być spowodowane zbyt dużym stopnem sprężana wynkającym bądź ze złej oceny jego wartośc przy projektowanu slnka, bądź przy nefachowych naprawach lub przeróbkach slnka. Jednakże na ogół samozapłon ne występuje w zwązku ze zbyt dużym stopnem sprężana. Zwykle jest on wywołany mejscowym nadmernym podgrzanem meszanny palnej. W określonych warunkach pracy slnka mogą pojawć sę mejscowe przegrzana częśc metalowych zaworu, wylotowego, elektrod śwecy o newłaścwe dobranej wartośc ceplnej a także żarzene sę nagaru osadzonego na ścankach komory spalana, denku tłoka.t.p. Mejsca take powodują samozapalene meszanny palnej, a w konsekwencj neprawdłowy przebeg spalana wystąpene szkodlwego dla slnka zjawska jakm jest spalane stukowe. Spalane stukowe wywołuje rozprężająca sę w komorze spalana część już palącej sę meszanny palnej, która podgrzewa spręża jeszcze ne zapaloną, pozostałą meszankę. Jeśl osągne ona odpowedną temperaturę to nastąp gwałtowny jej samozapłon. Wąże sę to z gwałtownym spalanem, które powoduje mejscowy wzrost temperatury cśnena, które z kole w postac fal uderzenowej rozprzestrzena sę na całą komorę spalana, wywołując drgana masy gazu. Drgana te uwdacznają sę wahanam cśnena na wykrese ndykatorowym (rys.6). Drgana masy gazu przy zderzenu sę ze ścankam wywołują metalczne dźwęk wysokej częstotlwośc.
6 Rys. 6. Otwarte wykresy ndykatorowe 1 spalane stukowe, 2 spalane normalne Spalanu stukowemu towarzyszy gwałtowne wywązywane sę cepła, wskutek czego maksymalna temperatura spaln za czołem płomena jest o około 300 K wększa nż podczas spalana normalnego. Podwyższona temperatura, występowane fal uderzenowych oraz wyrównawczych ruchów gazów powodują slny wzrost ntensywnośc przechodzena cepła od czynnka roboczego do ścanek komory spalana. Pocąga to za sobą przecążene ceplne tłoków, zaworów, elektrod śwec zapłonowych.t.d. Gwałtowny wzrost cśnena ( merzony przyrostem cśnena na 1 OWK dp/dα) wahana cśnena o dużej ampltudze powodują znaczne obcążena mechanczne o charakterze uderzenowym, które są nebezpeczne dla układu korbowego, a szczególne łożysk. W wynku ntensywnego odprowadzena cepła z cylndra, wzrostu strat mechancznych necałkowtego spalana pogarsza sę wykorzystane energ palwa, a tym samym maleje sprawność moc slnka. Wpływ kąta wyprzedzena wtrysku Kąt wyprzedzena wtrysku palwa jest jednym z czynnków, oprócz cech konstrukcyjnych warunków pracy slnka, oddzałujących na przebeg procesu spalana. Jednym z najważnejszych czynnków charakteryzujących spalane rozpylonego palwa w slnku jest przebeg wywązywana sę cepła. Decyduje on o zmanach cśnena temperatury w cylndrze oraz dynamcznych wskaźnkach przebegu spalana, a tym samym o welkośc pracy ndykowanej przekazanej na tłok, efektywnośc wykorzystana cepła, pozome obcążeń ceplnych mechancznych slnka, a także jego głośnośc pracy. Wpływ ten przejawa sę w charakterystycznych zmanach na wykrese ndykatorowym, wyrażonych przede wszystkm maksymalnym cśnenem temperaturą czynnka w cylndrze. Zmany kąta wyprzedzena wtrysku ne powodują stotnejszych zman przebegu wtrysku, natomast przebeg wywązywana sę cepła zmena sę znaczne, czego rezultatem są duże różnce prędkośc wywązywana sę cepła. Przebeg wywązywana sę cepła d/dα określany loścą palwa spalanego na każdy stopeń obrotu wału korbowego w okrese spalana jest zasadnczym czynnkem wpływającym na przebeg zman cśnena w cylndrze, a tym samym na moc rozwjaną przez slnk oraz jego twardość begu. Zbyt wczesny wtrysk powoduje nagromadzene dużej lośc palwa w komorze spalana, w której powetrze ne zostało jeszcze doprowadzone do dostateczne wysokej temperatury odpowednego cśnena, aby zapewnć samozapłon. W chwl węc samozapłonu następuje gwałtowny przyrost cśnena wywołując slne stuk (młotkowane) bardzo twardą pracę slnka. Przy zbyt późnym wtrysku, samozapłon palwa następuje po przejścu tłoka przez GMP, spalane odbywa sę przy malejącym cśnenu w komorze spalana przebega stosunkowo wolno, rozcągając sę znaczne na suw rozprężana. Może wówczas następować necałkowte spalane wtryśnętego palwa, dymene dopalane palwa w przewodach wylotowych. To ostatne jest szczególne nebezpeczne przy pracy slnka z turbosprężarką może spowodować uszkodzene łopatek turbny zespołu doładowującego. Przy zbyt późnym wtrysku występują z reguły duże straty ceplne oraz szkodlwe podgrzewane tłoka, perścen zaworu wylotowego. Na rys. 7 jest przedstawone przesunęce ln wykresu ndykatorowego w zależnośc od kąta wyprzedzena wtrysku przy zachowanu ne zmenonego czasu trwana wtrysku.
p [MPa] Wykres ndykatorowy 7 Rys. 7. Wykres ndykatorowy slnka ZS dla różnych kątów wyprzedzena wtrysku, przy stałym kące trwana wtrysku Na rys. 8 jest przedstawony wykres ndykatorowy slnka z ne tylko neprawdłowo ustawonym kątem wyprzedzena wtrysku ale równeż neprawdłowo dzałającą pompą wtryskową. 7 6 5 4 3 2 1 0 0 0,0002 0,0004 0,0006 0,0008 Vc [m 3 ] Rys.8. Wykres ndykatorowy z neprawdłowo ustawonym kątem wyprzedzena wtrysku nesprawną pompą wtryskową CEL ĆWICZENIA Celem ćwczena jest sporządzene wykresu ndykatorowego otwartego zamknętego slnka spalnowego na podstawe wartośc cśnena w jednym cylndrze slnka, zmerzonych przy użycu zestawu do ndykowana składającego sę z czujnka cśnena, wzmacnacza ładunku rejestratora oraz analza tego wykresu. A. OPRACOWANIE DANYCH Dane zawerają: a) Zarejestrowane podczas ndykowana wartośc cśnena p w jednym cylndrze slnka w zależnośc od kąta obrotu wału korbowego α, odmerzanego od położena zajmowanego przez wał korbowy, gdy tłok znajduje sę w górnym martwym punkce [GMP] podczas suwu napełnena. Są podane w postac arkusza programu Excel. b) Dane dodatkowe: n [obr/mn] prędkość obrotowa wału korbowego slnka, przy której były wykonywane pomary, N [kw] moc slnka przy tej prędkośc obrotowej, G e [kg/h] - godznowe zużyce palwa, W u [MJ/kg] wartość opałowa palwa.
8 Obektem badań był slnk wolnossący o zapłone samoczynnym Perkns 1104C-44. Dane technczne slnka: Moc maksymalna: N N =60,3 kw Prędkość obrotowa mocy maksymalnej: n N = 2200 obr/mn Objętość skokowa slnka: V SS = 4,4 dm 3 Lczba cylndrów : = 4 Stopeń sprężana : ε = 19,3 Średnca cylndra : D = 105 mm Skok tłoka : S = 127 mm Długość korbowodu: l = 223,77 mm POLECENIA 1 Sporządzć otwarty wykres ndykatorowy p(α) Otwarty wykres ndykatorowy przestawa zależność bezwzględnego cśnena gazu w cylndrze slnka od kąta obrotu wału korbowego. Jest sporządzany dla jednego cyklu pracy slnka. Cykl pracy slnka czterosuwowego składa sę z czterech suwów (suw: dolotu, sprężana, rozprężana zwanego też suwem pracy, wylotu). Podczas każdego suwu wał korbowy obraca sę o 180, a węc cały cykl pracy slnka jest realzowany w czase dwóch obrotów wału korbowego, co odpowada 720OWK (stopeń obrotu wału korbowego). Otrzymane z pomarów dane pozwalają sporządzć otwarty wykres ndykatorowy p(α) - przy użycu programu Excel bez żadnych dodatkowych oblczeń - w postac przedstawonej na rys. A1. 120 100 80 60 40 20 0-400 -200 0 200 400 Cśnene w cylndrze [bar] Kąt obrotu wału korbowego [ OWK] Rys. A1. Otwarty wykres ndykatorowy 2 Sporządzć zamknęty wykres ndykatorowy p(v) (rys. A2) Zamknęty wykres ndykatorowy przedstawa zależność bezwzględnego cśnena gazu w cylndrze slnka od chwlowej wartośc objętośc cylndra V(α). Sporządzene wykresu ndykatorowego zamknętego p(v) wymaga wyznaczena chwlowej wartośc objętośc cylndra w funkcj kąta obrotu wału korbowego V(): 2 D 1 2 2 V Vk r 1 cos 1 1 k sn 4 gdze: Vs Vk - objętość komory spalana, 1 s k
cśnene ndykowane [bar] Wykres ndykatorowy 9 2 D V s S - objętość skokowa jednego cylndra, 4 r k l - współczynnk korbowodu, s stopeń sprężana, D średnca cylndra, S skok tłoka, r = S/2 promeń wykorbena, l długość korbowodu (odległość os sworzna od os czopa korbowego). 120 100 80 60 40 20 0-1,52E-180,0002 0,0004 0,0006 0,0008 0,001 0,0012 Objętość cylndra V c [m 3 ] Rys. A2. Zamknęty wykres ndykatorowy 3 Wyznaczyć średne cśnene ndykowane p śr Średne cśnene ndykowane jest to take stałe cśnene umowne, które dzałając na tłok w czase suwu rozprężana wykona taką samą pracę jak zmenne cśnene rzeczywste dzałające na tłok w czase całego cyklu roboczego. _ Rys. A3. Średne cśnene ndykowane p przedstawone na wykrese ndykatorowym Średne cśnene ndykowane jest oblczane z zależnośc: L pole pole p Vs Vs gdze: L praca ndykowana, V s objętość skokowa jednego cylndra.
10 Pracę ndykowaną L można wyznaczyć korzystając z danych do sporządzena zamknętego wykresu ndykatorowego p(v), wykonując całkowane grafczne wyznaczonego wykresu (rys. A2), co jest równoznaczne ze sumowanem pól pracy absolutnej w poszczególnych suwach z uwzględnenem znaków pracy: L L L L L gdze: d spr rozpr L d praca absolutna w suwe dolotu, L spr praca absolutna w suwe sprężana, L rozpr praca absolutna w suwe rozprężana, L w praca absolutna w suwe wylotu. w 4 Oblczyć moc ndykowaną slnka N L N t gdze: - lczba cylndrów, t czas wykonana pracy L. Praca L w slnku 4-suwowym jest wykonywana w czase dwóch obrotów wału korbowego slnka, a zatem: 2 60 t [ s], n gdze: n [obr/mn] prędkość obrotowa wału korbowego slnka. 5 Wyznaczyć średne cśnene użyteczne p e Średne cśnene użyteczne wyznacza sę z zależnośc: 60 Ne pe Vss n gdze: p e [MPa] średne cśnene użyteczne, N e [kw] moc użyteczna slnka, n [obr/mn] prędkość obrotowa wału korbowego slnka, V ss [dm 3 ] - objętość skokowa slnka, - współczynnk uwzględnający lczbę suwów na jeden cykl roboczy, = 2 dla slnka czterosuwowego. 6 Wyznaczyć pracę użyteczną L e Pracę użyteczną wyznacza sę z zależnośc: Le pe Vs gdze: V s - objętość skokowa jednego cylndra, 7 Wyznaczyć sprawność mechanczną η m pe Le N m p L N e 8 Wyznaczyć cepło doprowadzone do jednego obegu G Wu [MJ] 60 n gdze: G [kg/h] lość palwa zużyta przez slnk w cągu jednej godzny (godznowe zużyce palwa), W u [MJ/kg] wartość opałowa palwa, współczynnk uwzględnający lczbę suwów wykonanych przy realzacj cyklu pracy wynoszący 2 dla slnka czterosuwowego, n [obr/mn] prędkość obrotowa wału korbowego slnka.
11 9 Wyznaczyć sprawność ogólną L e o gdze: L e praca użyteczna, - cepło doprowadzone do jednego obegu. 10 Wyznaczyć pozostałe sprawnośc slnka a) Sprawność ndykowana η (wewnętrzna) b) Sprawność ceplna η c L c c) Sprawność mechanczna η m d) Sprawność ogólna η o L L Le m L L e o t Ta sprawność charakteryzuje cały proces przetwarzana energ można ją równeż zapsać następująco: o c m Powyższą zależność otrzymuje sę następująco: Le L m o c m 11 Sporządzć wykres blansu (punkt B bez uwzględnena pracy sprawnośc obegu teoretycznego) 12 Opsać wykres ndykatorowy Na wykres ndykatorowy zamknęty naneść: objętość komory spalana, objętość skokową, wartość średnego cśnena ndykowanego (rys. A3) użytecznego, zaznaczyć pola odpowadające pracy ndykowanej pracy użytecznej a także orentacyjne punkty otwarca zamknęca zaworów oraz punkt zapoczątkowana procesu spalana. Ocenć prawdłowość sporządzonego wykresu zamknętego. B. SPRAWNOŚCI I BILANS ENERGII Dla urządzeń, których celem jest oddawane energ na zewnątrz (slnk ceplne nne przetwornk energ), można przedstawć schemat strat przekazywana energ następująco - rys. B.1.[5]. Na jego podstawe można wyznaczyć sprawność badanego urządzena, czyl skuteczność zamany energ ceplnej zawartej w dostarczanym do nego palwe na energę mechanczną przekazywaną przez to urządzene do odbornka mocy lub momentu.
12 Energa poberana Straty II zasady termodynamk (straty wylotu) L t Praca teoretyczna Straty ceplne (straty chłodzena) L Praca wewnętrzna (ndykowana) Straty mechanczne L e Praca użyteczna (efektywna) Rys. B.1. Schemat strat przekazywana energ w slnkach ceplnych W praktyce slnkowej [1], [4], [7], jest powszechne stosowany sposób określana sprawnośc zgodny z normą PN 81/M 01501. a) Sprawność teoretyczna η t L t t Jest to sprawność uwzględnająca koneczność oddawana cepła w obegu zamknętym, zgodne z drugą zasadą termodynamk. Praca L t jest pracą, jaka zostałaby wykonana przez slnk, gdyby pracował zgodne z przyjętym obegem wzorcowym. jest loścą cepła dostarczaną do slnka w czase jednego obegu. Sprawność teoretyczna jest marą strat cepła oddawanego dolnemu źródłu; odpowednkem tych strat w slnku rzeczywstym są straty wylotu. b) Sprawność ndykowana η (wewnętrzna) L Lt Ta sprawność uwzględna straty typu ceplnego powstające przy realzacj obegu porównawczego (wzorcowego) w cylndrze slnka rzeczywstego, a zatem straty wywołane różncą właścwośc rzeczywstego czynnka roboczego w stosunku do gazów doskonałych (zmenność cepła właścwego dysocjacja produktów spalana), newłaścwym procesem spalana, chłodzenem oraz straty wywołane dławenem podczas przepływów zwązanych z wymaną Ładunku. L stanow pracę wykonaną przez slnk po uwzględnenu strat ceplnych. c) Sprawność ceplna η c Sprawność ceplna całkowce charakteryzuje obeg rzeczywsty slnka, tj, uwzględna wszystke straty ceplne. Defnowana jest następująco: L c a można ją zapsać równeż tak: L c Lt t
13 d) Sprawność mechanczna η m Le m L Uwzględna straty typu mechancznego. L e oznacza pracę użyteczną slnka, to znaczy tę, która może być oddana przez slnk na zewnątrz wykorzystana użyteczne. Sprawność mechanczna jest marą strat na tarce w mechanzmach slnka na napęd mechanzmów pomocnczych. e) Sprawność użyteczna η o L e o Ta sprawność charakteryzuje cały proces przetwarzana energ można ją równeż zapsać następująco: o t m lub o c m Powyższą zależność otrzymuje sę następująco: Le L m Lt m o t m Blans energ slnka ceplnego można przedstawć w postac wykresu zwanego wykresem Sankeya (rys. B. 2.). Podane na rysunku wartośc strat [7] należy traktować jako przyblżone wartośc przecętne. 100% L t L Straty wylotu 29% L e Straty chłodzena 32% Praca użyteczna 32% Rys. B.2. Blans energ slnka ceplnego Straty mechanczne 7% energa poberana przez układ jest to energa zawarta w palwe zużywanym przez slnk teoretyczne wywązująca sę w cylndrze podczas procesu spalana całkowtego zupełnego. WYKAZ LITERATURY 1. Bernhardt M., Dobrzyńsk S., Loth E. Slnk samochodowe. WKŁ, Warszawa 1988. 2. Jędrzejowsk J.: Oblczene tłokowego slnka spalnowego. WKŁ, Warszawa 1988. 3. Jędrzejowsk J.: Mechanka układów korbowych slnków samochodowych. WKŁ, Warszawa 1986. 4. Newarowsk K.: Tłokowe slnk spalnowe. WKŁ, Warszawa 1982. 5. Stanszewsk B.: Termodynamka, PWN, Warszawa 1978. 6. Wajand J. T.: Pomary szybkozmennych cśneń w maszynach tłokowych. WNT, Warszawa 1974. 7. Wajand J.A., Wajand J.T.: Tłokowe slnk spalnowe średno szybkoobrotowe. WNT, Warszawa 1993 8. Norma PN ISO 2710-1:2007 Slnk spalnowe tłokowe - Termnologa- Część 1:Termny dotyczące konstrukcj pracy slnka 9. Norma PN 81/M 01501 - Slnk spalnowe tłokowe Podstawowe welkośc parametry - termnologa