Katedra Silników Spalinowych i Transportu
LABORATORIUM SILNIKÓW SPALINOWYCH
Materiały pomocnicze
Temat: Stanowisko badawcze silnika spalinowego i cechowanie hamulca Stanowisko badawcze silnika spalinowego powinno zapewniać pomiar podstawowych parametrów pracy silnika spalinowego oraz właściwe warunki jego pracy. Zakres mierzonych parametrów uzaleŜniony jest od rodzaju przeprowadzanych prób lub badań oraz od typu silnika.
Norma PN-ISO 15550-1 pt. „Silniki spalinowe tłokowe - Określanie i metoda pomiaru mocy silnika - Wymagania ogólne” wyróŜnia dwie róŜne procedury badania silnika, określone jako metoda 1 i metoda 2 [3].
Metoda badawcza 1 jest stosowana w celu weryfikacji nominalnych parametrów silnika zgodnie z wymaganiami zawartymi w umowie. Ustala wymagania dla prób zdawczych, typu i/lub prób specjalnych przeprowadzonych na silniku zamontowanym na stanowisku badawczym w zakładzie producenta lub w miejscu zainstalowania.
Metoda badawcza 2 jest stosowana do weryfikacji mocy znamionowej silnika netto i/lub mocy całkowitej. Przedstawia osiągi silnika przy pełnej mocy/maksymalnym momencie obrotowym w zaleŜności od prędkości obrotowej silnika w wyniku naniesienia na wykres krzywych mocy i zuŜycia paliwa. Metoda ma równieŜ zastosowanie do wyznaczenia mocy silnika dla pomiaru emisji spalin zgodnie z wymaganiami ISO 8178.
Biorąc pod uwagę zakres wykonywanych badań na zajęciach laboratoryjnych, stanowisko badawcze silnika powinno umoŜliwiać pomiary w zakresie odpowiadającym wymaganiom metody badawczej 2, które przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1. Urządzenia pomiarowe i dokładność przyrządów [2]
Lp.
Mierzony parametr
Wymagania
1.
Moment obrotowy
Układ do pomiaru momentu obrotowego za pomocą dynamometru powinien mieć dokładność wynoszącą ± 1 % zakresu wartości wymaganych podczas badania. Dokładność w dolnym zakresie do połowy zakresu pomiarowego stanowiska hamulcowego moŜe mieścić się w zakresie ± 2 % wartości zmierzonego momentu obrotowego
2.
Prędkość obrotowa silnika
Dokładność układu do pomiaru prędkości obrotowej silnika powinna wynosić 0,5 %
3.
NatęŜenie przepływu paliwa
Dokładność układu do pomiaru natęŜenia przepływu paliwa powinna wynosić zuŜycie paliwa
1%
4.
Temperatura paliwa
Dokładność układu do pomiaru temperatury paliwa powinna wynosić ± 2 K.
5.
Temperatura powietrza w
Dokładność układu do pomiaru temperatury powietrza powinna wynosić ± 2 K.
układzie dolotowym silnika
6.
Ciśnienie atmosferyczne
Dokładność układu do pomiaru ciśnienia atmosferycznego powinna wynosić ±
100 Pa
7.
Ciśnienie bezwzględne w
Dokładność układu do pomiaru ciśnienia bezwzględnego w przewodzie przewodzie dolotowym
dolotowym silnika powinna wynosić ± 2 % wartości zmierzonego ciśnienia 8.
Przeciwciśnienie w układzie
Dokładność układu do pomiaru przeciwciśnienia w układzie wylotowym wylotowym silnika1)
silnika powinna wynosić 200 Pa.
9.
Spadek ciśnienia w układzie
Ciśnienie naleŜy mierzyć z dokładnością 50 Pa.
dolotowym2)
10.
Temperatura spalin
Dokładność układu do pomiaru temperatury spalin powinna wynosić ± 20 K
1) W przypadku zastosowania równowaŜnego układu dolotowego zamiast układu seryjnego naleŜy dokonać kontroli, aby upewnić się, iŜ wartość spadku ciśnienia nie róŜni się o więcej niŜ 100 Pa od wartości granicznej określonej przez producenta dla czystego filtra powietrza.
2) W przypadku zastosowania równowaŜnego układu wylotowego zamiast układu seryjnego naleŜy dokonać kontroli celem upewnienia się, Ŝe przeciwciśnienie w układzie wylotowym silnika nie róŜni się o więcej niŜ 1000 Pa od ciśnienia określonego przez producenta. JednakŜe moŜna zastosować system zapewniający minimalną wartość strat ciśnienia.
Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa
Politechnika Rzeszowska
Katedra Silników Spalinowych i Transportu
W celu umoŜliwienia prawidłowej pracy silnika i hamulca stanowisko badawcze silnika spalinowego powinno być wyposaŜone w instalacje:
•
paliwową, zapewniającą doprowadzenie w bezpieczny sposób paliwa do silnika,
•
wylotową spalin zapewniającą odprowadzenie spalin,
•
nawiewno-wywiewną zapewniającą dopływ świeŜego powietrza,
•
elektryczną zapewniającą doprowadzenie (takŜe odprowadzenie w przypadku hamulca prądnicowego) prądu do hamulca i urządzeń pomiarowych,
•
hydrauliczną zapewniającą doprowadzenie do silnika i hamulca czynnika chłodzącego,
•
spręŜonego powietrza do zaworów pneumatycznych urządzeń pomiarowych będących na wyposaŜeniu poszczególnych stanowisk badawczych.
Podstawowym urządzeniem stanowiska badawczego silnika jest hamulec silnikowy z oprzyrządowaniem, umoŜliwiający obciąŜenie silnika określonym momentem obrotowym oraz pomiar tego momentu, jak równieŜ prędkości obrotowej. Do hamowania tłokowych silników spalinowych stosowanych w środkach transportu uŜywa się hamulców, które ze względu na sposób wytwarzania momentu hamującego moŜna podzielić na [1]:
•
cierne,
•
powietrzne,
•
wodne,
•
elektryczne.
-
elektrowirowe,
-
prądnicowe.
Hamulce cierne ze względu na swoje wady (mała stabilność obciąŜenia) nie są obecnie stosowane. Hamulce powietrzne słuŜą do hamowania tłokowych silników spalinowych stosowanych w lotnictwie. Do hamowania silników spalinowych stosowanych w pojazdach samochodowych szeroko stosuje się hamulce wodne i elektryczne. W Laboratorium Silników Spalinowych znajdują się dwa hamulce wodne firmy Schenck typu D-630e oraz dwa hamulce elektryczne: elektrowirowy firmy Heenan-Froude oraz prądnicowy firmy Schenck typu Dynas 2.
Hamulce róŜnią się zakresem dopuszczalnych prędkości obrotowych oraz mocy hamowanych silników.
Tabela 2. Podstawowe parametry hamulców w Laboratorium Silników Spalinowych Politechniki Rzeszowskiej [2]
Dopuszczalna
Stała hamulca K
Stanowisko
Hamulec
Rodzaj hamulca
Maksymalna moc
prędkość obrotowa
Wartość
Jednostka
Schenck
1
prądnicowy
9000 obr/min
220 kW
1
[-]
Dynas 2
Schenck
2
wodny
3000 obr/min
630 KM
1
[-]
D-630e
Heenen-Froude
[kG*obr
3
elektrowirowy
6000 obr/min
150 kW
197
Mark II
kW*min]
Schenck
[N*obr
4
wodny
3000 obr/min
630 KM
10000
D-630e
kW*min]
Pomiar momentu obrotowego silnika jest realizowany poprzez pomiar momentu reakcyjnego obudowy hamulca, która jest ułoŜyskowana wahliwie. Pomiar tego momentu odbywa się za pomocą układu dynamometrycznego pozwalającego na pomiar siły, która działa na ramieniu hamulca o długości lh. Do pomiarów siły w układach pomiarowych hamulców uŜywa się zazwyczaj przetworników siły.
Moc traconą na hamulcu określa się wzorem:
P ⋅ n
Ne =
K
(1)
Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa
Politechnika Rzeszowska
Opracował: Adam Ustrzycki
Katedra Silników Spalinowych i Transportu
gdzie:
Ne – moc efektywna silnika,
P – siła na hamulcu,
n – prędkość obrotowa hamulca,
K – stała hamulca.
Uwaga: NaleŜy pamiętać, Ŝe stała hamulca jest zawsze podawana w odniesieniu do określonych jednostek wstawianych do wzoru. Na przykład, dla hamulca Heenan-Froude (tabela 2) podstawiając siłę w kG, prędkość obrotową w obr/min oraz stałą hamulca o wartości 197
otrzymujemy moc wyraŜoną w kW.
Cechowanie hamulca
Cechowanie (skalowanie) hamulca polega na sprawdzeniu prawidłowości jego wskazań na podstawie wykonywania próbnych pomiarów z uŜyciem odwaŜników wzorcowych.
W celu wycechowania hamulca naleŜy na czas pomiaru zamontować do obudowy hamulca ramię wzorcowania o znanej długości lw z szalką na odwaŜniki. Pomiarów dokonuje się zwiększając obciąŜenie o kolejne cięŜarki (zaciąŜanie) i po osiągnięciu obciąŜenia maksymalnego zmniejszając obciąŜenie do zera (odciąŜanie). W efekcie pomiarów, otrzymujemy dane do wykreślenia tzw. histerezy hamulca. Ze względu na tarcie w łoŜyskach obudowy hamulca, wskazania na hamulcu dla tego samego obciąŜenia przy zaciąŜeniu i odciąŜaniu róŜnią się od siebie. Hamulec jest tym dokładniejszy im pętla histerezy jest węŜsza. Schemat układu cechowania hamulca przedstawiono na rys. 1.
ramię
obudowa
W
kG
wzorcowania
hamulca
P
wskaźnik
siły
odwaŜnik
wzorcowy
ramię
hamulca
czujnik
Q
siły
lw
lh
Rys. 1. Schemat układu pomiarowego przy cechowania hamulca [2]
PoniewaŜ ramię hamulca i ramię wzorcowania zazwyczaj są róŜne, naleŜy określić siłę P
odpowiadającą obciąŜeniu Q z równania momentów. W tym celu naleŜy określić długość ramienia hamulca lh na podstawie stałej hamulca. Uwzględniając, Ŝe moc w ruchu obrotowym określana jest wzorem:
Ne = Mo⋅ω
(2)
gdzie:
Ne – moc efektywna silnika,
Mo – moment obrotowy ( Mo = P ⋅ l ),
h
Π ⋅ n
ω – prędkość kątowa ( ω =
, n – prę dkość obrotowa w obr/min),
30
to moŜna zapisać, Ŝe:
Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa
Politechnika Rzeszowska
Katedra Silników Spalinowych i Transportu
P ⋅ n
Π ⋅ n
= P ⋅ l ⋅
h
K
30
stąd przy spójnym układzie jednostek:
1
Π
=
30
l ⋅
K = ⋅
h
K
30 lub
l
h ⋅ Π
Ostatecznie:
C
K = ⋅
l
(3)
h
Uwaga: W przypadku zastosowania róŜnych jednostek siły lub mocy w porównywanych wzorach stała C zmieni swoją wartość.
Wskazania hamulca W powinno w idealnym przypadku powinno być równe sile obciąŜającej P.
Ze względu na określoną dokładność dynamometru wartości te będą róŜnić się od siebie o błąd bezwzględny:
∆ =
W − P
(4)
Błąd względny przyrządu określany jest z wzoru:
= ∆
δ
⋅ 10 %
0
P
(5)
Układ dynamometryczny hamulca powinien spełniać wymagania zamieszczone w tabeli 1.
Literatura
[1] Gola M., Januła J., Litwin J.: Laboratorium silników spalinowych. Wydaw. Politechniki Radomskiej, Radom 1996.
[2] Kuszewski H., Ustrzycki A.: Laboratorium spalinowych napędów środków transportu.
Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 2011.
[3] PN-ISO 15550-1: Silniki spalinowe tłokowe - Określanie i metoda pomiaru mocy silnika -
Wymagania ogólne. PKN, Warszawa 2009.
Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa
Politechnika Rzeszowska