LABORATORIUM BADAŃ SILNIKÓW SPALINOWYCH
Imię i nazwisko:			Specjalność: Silniki Spalinowe	Semestr: VI	Grupa: 2
Nr ćw.: 7.3	Temat ćwiczenia: Indykowanie silnika	Nazwisko prowadzącego: dr inż. Krzysztof Wisłocki		Data wyk. ćw.: 04.04.2006	Ocena:

1. Definicja i cel indykowania

Indykowanie jest to pomiar szybkozmiennego ciśnienia p_c w cylindrze silnika w funkcji czasu lub kąta obrotu walu korbowego. Uzyskany w ten sposób wykres zależności p_c od kąta OWK lub od objętości cylindra nazywamy wykresem indykato­rowym. Pomiary takie umożliwiają, obok podstawowej analizy termodynamicznej obiegu, także ocenę maksymalnych wartości ciśnienia w cylindrze, prędkości jego narastania, nierównomiemości pracy oraz wynikających stąd obciążeń mecha­nicznych. Wartości ciśnienia w cylindrze zmierzone w poszczególnych chwilach procesu (t) pozwalają na określenie średniej obliczeniowej temperatury panującej w prze­strzeni spalania; określa się ją przy założeniu, że masa czynnika w cylindrze jest stałą lub znane jest prawo ubytku masy w wyniku przedmuchów do skrzyni korbo­wej, że właściwości termodynamiczne czynnika roboczego nie zmieniają się w spo­sób istotny, a także, że zmiana objętości przestrzeni roboczej jest opisana znaną funkcją zależną od kąta obrotu wału korbowego. Wyznaczenie temperatury czynni­ka w cylindrze pozwala na oszacowanie obciążeń cieplnych silnika.

2. Urządzenia pomiarowe używane do indykowania silnika

Urządzenia do pomiaru ciśnień szybkozmiennych w cylindrze silnika spalinowe­go, zwane także indykatorami, można podzielić na następujące rodzaje:

- Indykatory mechaniczne: stosowane były już w pracach nad pierwszymi silni­kami spalinowymi oraz w bada­niach późniejszych nad silnikami wolno- i średnioobrotowymi. Indykatory te skła­dały się z cylinderka i współpracującego z nim tłoczka, na który działa ciśnienie przepuszczane z cylindra silnika przez zawór odcinający. Ruch tłoczka ściskającego sprężynę śrubową powoduje ruch ramienia zakończonego rysikiem przesuwającym się po papierze woskowym umieszczonym na obrotowym walcu. Obrót walca jest wywoływany za pomocą linki od wału korbowego. W ten sposób tworzony jest zamknięty wykres zależności ciśnienia od przemieszczenia tłoka. Na­pięcie wstępne i sztywność sprężyny oraz średnica tłoczka musiały być dobierane indywidualnie do przewidywa­nego zakresu mierzonych ci­śnień. Jednak bezwładność ruchomych części, tarcie we­wnętrzne, niedokładność od­wzorowania ruchu, a także bardzo wąskie pasmo przeno­szonych częstotliwości ograni­czało możliwość stosowania rozwiązań tego typu; tylko późniejsze rozwiązania wypo­sażone w sprężynę prętową wykazywały lepsze własności częstotliwościowe i mogły być wykorzystane w badaniach przy prędkościach obrotowych do około 2500 obr/min (indy­kator firmy Maihak). Współczesną odmianą indykatorów mechanicznych są stosowane obecnie w praktyce warsztatowej urządzenia do oceny równomierności maksymalnego ci­śnienia sprężania w poszczególnych cylindrach. Indykatory mechaniczne są też nieraz stosowane przy badaniu wolnoobrotowych silników (np. okrętowych), gdzie obsługiwana przez nie częstotliwość jest wystarczająca.

- Indykatory optyczne są niejako odmianą indykatorów mechanicznych, wyposażone są w lusterko, którego odchylenie jest wywoływane ruchem membrany poddanej działaniu ciśnienia z cylindra silnika. Odbity przez lusterko promień świetlny, padając na błonę fotograficzną lub papier światło­czuły, zostaje utrwalony jako odwzorowanie zmian ciśnienia pod membraną, a moż­liwa znaczna odległość między lusterkiem a światłoczułym nośnikiem pozwalała na zwiększenie czułości pomiarów. Mniejsza bezwładność ruchomych części w porów­naniu do indykatorów mechanicznych umożliwiała poszerzenie zakresu ich zastosowania. Zostały one jednak zastąpione przez szybko rozwijające się w tym czasie indykatory elektryczne o istotnie lepszych właściwościach użytkowych.

- Indykatory elektryczne wykorzystują zasadę wytwa­rzania sygnału elektrycznego proporcjonalnego do ciśnienia działającego na element wykonawczy przetwornika ciśnie­nia. Sygnał ten jest poddawany wzmocnieniu, a następnie przesyłany do urządzenia rejestrującego.

Układy indykatorów elektrycznych, jako jedyne speł­niające wysokie wymagania dotyczące dokładności, powta­rzalności i uniwersalności pomiarów, są obecnie powszech­nie stosowane w praktyce badań silnikowych. Cechują się one dużą czułością, szerokim pasmem przenoszenia często­tliwości, możliwością dokonywania pomiarów z dużej odle­głości, a także możliwością znacznego zminiaturyzowania przetworników ciśnienia.

Schemat nowoczesnego toru pomiarowego slużącego do pomiaru ciśnień szybkozmiennych w cylindrze

W skład toru pomiarowego wchodzą:

• przetwornik lub przetworniki ciśnienia

Do podstawowych parametrów charakteryzujących jakość przetwornika należą:

• czułość określająca wielkość sygnału elektrycznego przypadająca na jednost­kę zmiany mierzonego ciśnienia (zwykle w mV/bar. pC/bar itp):

• liniowość wskazań określająca dopuszczalne odchylenia od liniowej charakte­rystyki czujnika w zależności od wartości mierzonego ciśnienia lub zakresu pomiarowego;

• zakres pomiarowy określający minimalne i maksymalne wartości mierzone;

• dopuszczalne warunki pracy określające maksymalne parametry otaczającego ośrodka, w których przetwornik może pracować z zakładaną dokładnością (czułością i liniowością);

• pasmo przenoszenia określające wartość minimalnej i maksymalnej często­tliwości sygnału mierzonego, dla których pomiar odbywa się z zakładaną do­kładnością

Przetrworniki możemy ogólnie podzielić na parametryczne (w których pod wpływem cisnienia zmienia się wartość dostarczonego sygnału elektrycznego) i generacyjne(które pod wpływem ciśnienia same ten sygnał generują).

• przetwornik wzniosu iglicy wtryskiwacza w przy­padku silników z wtryskiem paliwa

Do pomiarów wzniosu iglicy mogą być wykorzystywane przetworniki parametryczne: in­dukcyjne, fotoelektryczne. pojemnościowe i tensometryczne. przy czym dwie pierw­sze grupy stosowane są najczęściej. Muszą to być przetworniki o małych wymia­rach. ab> można je było zamontować na wtryskiwaczu silnika, oraz nic mogą one wphwać w istotny sposób na charakterystykę hydrauliczną rozpylaczy, gdyż wa­runki pomiaru odbiegałyby wówczas od rzeczywistych.

• wzmacniacz sygnałów z przetworników; liczba ka­nałów musi odpowiadać liczbie zastosowanych przetworników

Sygnały elektryczne pochodzące z przetworników różnego typu stosowanych w trakcie badań muszą zwykle zostać wzmocnione oraz odpowiednio unormowane, tak aby dawały się zapisać w urządzeniu rejestrującym. Jakość wzmacniacza jest zdeterminowana przez jego czułość i pasmo przenoszo­nych częstotliwości. W pomiarach indykatoro­wych stosuje się wzmacniacze ładunku i wzmacniacze napięciowe.

• znacznik kąta obrotu wału korbowego lub - rzadziej - przetwornika położe­nia tłoka

Ich zadaniem jest generowanie pojedynczych sygnałów elektrycznych co pewien kąt  Reiestracja wszystkich przebiegów w trakcie indy kowania odbywa się wówczas w czasie rzeczywistym, a zarejestrowane impulsy ze znacznika pozwalają podzielić os czasu na odcinki równe obrotowi o . Znaczniki kąta są zwykle budowane jako urządzenia indukcyjne lub fotoelektryczne.

• rejestrator przebiegów

W badaniach indykatorowych do rejestracji przebiegów w praktyce mogą hyc wykorzystane jedynie dwa typy urządzeń; oscyloskopy oraz komputerowe, specjali­zowane układy rejestrująco-analizujące. Obecnie uzywa się głównie tych drugich, są to systemy takie jak ten pokazany na rysunku, gdzie komputer zarówno zapisuje jak i analizuje otrzymane z czujników sygnały.

Zarówno cały układ pomiarowy, jak i poszczególne jego elementy muszą być właściwie dobrane do konkretnego obiektu badawczego oraz do stawianych zadań badawczych, które determinują sposób prowadzenia pomiarów, ich zakres oraz do­kładność. Chodzi tu m.in. o wymagania dotyczące częstotliwości własnej układu pomiarowego jak i jego pasma przenoszenia.

3. Rodzaje wykresów indykatorowych

- wykres grzebieniowy

Jest najprostszym wykresem, stanowiący rejestrację przebiegu ciśnienia w cylindrze w funkcji czasu rzeczywistego obejmującą kilka do kilkudziesięciu kolejnych cykli roboczych silnika. Nadaje się on do oceny równomierności pracy silnika przy określonej prędkości obrotowej i obciążeniu.

- wykres indykatorowy otwarty (rozwinięty)

Podobnie jak dla wykresu grzebie­niowego, jest to przebieg ciśnienia p_c w funkcji czasu; w tym przypadku czas ten odpowiada czasowi jednego cyklu roboczego silnika. Dzięki zarejestrowanym sy­gnałom ze znacznika kąta oś czasu daje się podzielić na odcinki odpowiadające ob­rotowi walu o , tworząc wtórną oś odciętych w skali kątowej.

Na rysunku przykład takiego wykresu dla silnika z zaplonem samoczynnym, z zazna- czonymi punktami cha-rakterystycznymi

Wykres ten pozwala na określenie kilku charakterystycznych parametrów służą­cych do oceny poprawności pracy silnika. Na krzywej opisującej ciśnienie w cylin­drze określa się np.

• położenie punktu początku spalania (a_ps) - punkt PS;

• maksymalną wartość prędkości narastania ciśnienia (p/) przez wykreśle­nie stycznej do krzywej ciśnienia o maksymalnym nachyleniu oraz punkt wy­stąpienia tej wartości - punkt DP;

• położenie punktu wystąpienia maksymalnego ciśnienia spalania p, _max - punkt PM.

Jeżeli wykres rozwinięty dla silnika z zapłonem samoczynnym uwzględnia prze­biegi wzniosu iglicy wtryskiwacza oraz ciśnienia paliwa przed wtryski waczem. ana­liza procesów w cylindrze może być uzupełniona o następujące wielkości:

• kąt początku tłoczenia (_pt) określany przez początek narastania ciśnienia przed wtryskiwaczem - punkt PT;

• kąt początku wtrysku paliwa (_pw) określany na podstawie przebiegu wzniosu iglicy hi oraz ciśnienia przed wtryskiwaczem p_w1l - punkt PW;

• kąt końca wtrysku (_kw) określany na podstawie wzniosu iglicy i ciśnienia przed wtryskiwaczem - punkt KW;

• ciśnienie otwarcia i zamknięcia wtryskiwacza oceniane na podstawie przebie­gu p_wtr

Analiza zarejestrowanych przebiegów pozwala wykryć wystąpienie nie­prawidłowości w przebiegu wtrysku paliwa, wykryć zjawisko dotrysku oraz zawie­szania się iglicy wtryskiwacza, a także umożliwia ocenę przebiegu zjawisk falowych w układzie wtryskowym przez analizę częstotliwości i amplitudy drgań na krzywej ciśnienia przed wtryskiwaczem. Przebiegi te pozwalają na wyznaczenie charakterystyki wtrysku oraz przebiegu wywiązywania się ciepła.

- wykres indykatorowy zamkniety

Otrzymuje się go poprzez przeliczeniw skali osi odciętych wykresu indykatorowego otwartego z kąta na objętość. Jest to forma wykresu najczęściej kojarzona z wykresami teoretycznych obiegów termodynamicznych. Pozwala więc ona na najłatwiejsze dokonanie oceny rozbieżno­ści pomiędzy zarejestrowanym obiegiem rzeczywistym a jego teoretycznym odpo­wiednikiem przez nałożenie ich wykresów w odpowiedniej skali. Miarą tych roz­bieżności jest sprawność indykowana silnika _i. Wykres obiegu we współrzędnych p-V jest też często zwany wykresem pracy, gdyż pole ograniczone krzywą ciśnienia określa wielkość pracy indykowanej wykonanej przez tłok.

4. Stanowisko badawcze

Podczas zajęć przeprowadziliśmy badania na jednocylindrowym silniku badawczym AVL 5804 o objętości skokowej 500 cm³, zapłonie samoczynnym i wtrysku bezposrednim realizowanym przez skonstruowany przez pracowników Politechniki Poznanskiej niezależny układ wtryskowy typu common-rail. Do tej pory był on podłaczony do systemu pomiarowego Indiset 620 firmy AVL, którego schemat zamieścilem ponizej. W momencie, kiedy odbywaliśmy ćwiczenia, wlaśnie trwała zmiana części komponentów na nowsze, również firmy AVL.

System ten pozwala na pomiar cisnienia panującego w cylindrze i na bierząco wyświetla uzyskane wyniki w postaci wykresu indykatorowego otwartego. Pozwala również na zmianę parametrów (np. kata wtrysku) i obserwowanie zmian, jakie w skutek tego zajdą w przebiegu ciśnień, a także jak wpłynie to na takie parametry jak moment obrotowy, czy moc silnika. Tak właśnie postępowaliśmy podczas zajęć - zmienialiśmy kąt wtrysku do cylindra i obserwowaliśmy na wykresie, jak zmienia się przebieg ciśnień w cylindrze.

5. Wnioski

Dzięki indykowaniu możemy poznać, jakie ciśnienie panuje w komorze spalania w każdym momencie pracy silnika. Umożliwia nam też ocenę maksymalnych wartości ciśnienia w cylindrze, prędkości jego narastania, nierównomiemości pracy oraz wynikających stąd obciążeń mecha­nicznych. te dane dają nam wiedzę o jakości procesów zachodzących wewnątrz cylindra i ich wpływie na silnik.

---