Politechnika Warszawska
Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych
LABORATORIUM SILNIKÓW SPALINOWYCH
INSTYTUT POJAZDÓW SiMR PW
SPRAWOZDANIE
Ćw. 1  Charakterystyka prędkościowa silnika o zapłonie
samoczynnym
Data wykonania ćwiczenia .............. 08.01.2014
Grupa dziekańska ......................................... 3.7
Zespół............................................................ D1
1. Kamil Rostkowski
2. Mateusz Nowocień
3. Michał Ruba
4. Michał Sękal
5. Paweł Misiak
6. Jakub MÅ‚otek
7. Dominik Plewa
8. Maciej Setnikowski
9. Stanisław Sypiański
Warszawa 2013
Strona 1
1. Opis charakterystyki prędkościowej silnika spalinowego
Charakterystyka prędkościowa jest podstawowym wykresem dla silników
trakcyjnych. Przedstawia przede wszystkim zależność mocy, a ponadto
często momentu obrotowego, średniego ciśnienia użytecznego, oraz
jednostkowego zużycia paliwa w funkcji prędkości obrotowej. W zależności
od sposobu regulacji układów zasilających rozróżnia się charakterystyki
bezwzględne (mocy maksymalnej), granicy dymienia, eksploatacyjne, mocy
dławionych. W naszym przypadku badamy charakterystykę mocy
maksymalnej (dawka paliwa 100%).
Poniżej zamieszczono schemat charakterystyki dla silnika ZS.
Strona 2
Wielkości zaznaczone na charakterystyce:
n1  prędkość obrotowa, przy której silnik zostaje uruchomiony
nmin  minimalna prędkość obrotowa, przy której silnik pracuje samodzielnie
i równomiernie
nmax  dopuszczalna prędkość obrotowa  ze względów konstrukcyjnych
nznam  znamionowa prędkość obrotowa  prędkość maksymalnej mocy
n2  prędkość obrotowa dla której moc silnika jest równa zeru
(straty napełniania i opory własne silnika powodują spadek)
nM  prędkość obrotowa maksymalnego momentu
Krzywa mocy jest styczna do prostej wychodzącej z początku układu
współrzędnych w punkcie odpowiadającym obrotom momentu maksymalnego.
Charakterystyki prędkościowe rysowane są w zakresie < nmin; nmax > ze względu
na możliwość praktycznego wykorzystania silnika pracującego jako trakcyjny.
Typowa charakterystyka prędkościowa silnika o zapłonie samoczynnym z
naniesionym przebiegiem ciśnienia użytecznego średniego, godzinowego
i jednostkowego zużycia paliwa, mocy i momentu.
Strona 3
Na podstawie charakterystyki prędkościowej można określić wiele
parametrów i cech silnika. Parametrami uzyskiwanymi są:
- Prędkość obrotowa biegu jałowego
- Prędkość i wartość maksymalnego momentu obrotowego silnika
- Prędkość i wartość maksymalnej mocy użytecznej
- Prędkość obrotową maksymalną silnika
- Godzinowe i jednostkowe zużycie paliwa dla danej prędkości obrotowej
Ponadto z charakterystyki zewnętrznej można wyciągnąć wnioski dotyczące
elastyczności silnika. Jest ona oceniana jako cecha informująca o sposobie
reagowania silnika na zmieniające się obciążenie. Elastyczność momentowa
informuje o możliwym do wykorzystania zapasie momentu obrotowego silnika,
umożliwiająca pokonanie momentu oporu ruchu. Wskaz
nik elastyczności
momentu stanowi stosunek największego momentu obrotowego do momentu
obrotowego przy mocy maksymalnej:
Elastyczność stanowi cenną cechę szczególnie dla silników trakcyjnych,
ponieważ wskazują na zdolność samoczynnego pokonywania pewnego wzrostu
momentu oporowego bez konieczności przełączania napędu na przekładnię o
większym przełożeniu. Silniki o dużym wskaz
niku elastyczności są wygodniejsze
w eksploatacji  nie wymagają ciągłego operowania przekładnią.
Elastyczność prędkościowa informuje o tym, w jakim zakresie zmian prędkości
obrotowej silnika można liczyć na samo dostosowanie się silnika do zwiększenia
momentu oporu ruchu.
Strona 4
2. Schemat blokowy i opis stanowiska
Stanowiskiem jest hamownia silnikowa z hamulcem elektrowirowym
firmy SCHENCK oraz koniecznymi sterownikami, przetwornikami i
komputerem sterujÄ…cym pomiarami tej samej marki.
Na czas pomiarów w komorze hamowni załączany jest odciąg spalin w
postaci 2 wentylatorów dużej mocy.
Ciecz chłodząca znajduje się w obiegu zamkniętym, wymiennikiem ciepła
jest wężownica.
Schemat blokowy z opisami przedstawiono poniżej.
Strona 5
3. Wzory i obliczenia dla jednego punktu
Obliczenia przeprowadzę dla punktu pomiarowego o wartościach
n [obr/min] M [Nm] t1[s] t2[s] t [s]
V [cm3]
1000 373 50 19.9 18.7 19.3
Mając daną prędkość obrotową w obrotach na minutę
n [obr/min] przeliczamy ją na prędkość kątową [rad/s]:
Mając tę wartość i wartość momentu możemy obliczyć moc chwilową
użyteczną na wale korbowym w [kW]:
Następnie obliczamy masę paliwa [kg] zużytego w trakcie czasu
pomiarowego, przyjmuję gęstość paliwa średnią 832.5 [kg/m3] (jako iż
objętość podana jest w cm3 należy wprowadzić odpowiedni przelicznik tj.
10-6 by operować w m3):
Mając masę można obliczyć godzinowe zużycie paliwa (przelicznik *3600
by wynik otrzymać w kg/h):
Dzieląc otrzymane zużycie godzinowe przez moc otrzymaną w danym
punkcie pomiarowym otrzymujemy zużycie paliwa jednostkowe:
Strona 6
Sprawność obliczam jako stosunek chwilowej pracy użytecznej (efektywnej) w
danym punkcie pomiarowym do ciepła dostarczonego do obiegu. Wartość
opałową dla spalania całkowitego i zupełnego benzyny silnikowej przyjmuję
Ciepło obiegu obliczam z zależności:
- współczynnik uwzględniający liczbę suwów wykonanych przy realizacji
jednego cyklu pracy; dla silnika czterosuwowego wynosi 2
i  liczba cylindrów; w przypadku badanego silnika równa 4
Pracę użyteczną można obliczyć dwojako, jednak skorzystam ze sposobu, który
wymaga obliczenia średniego ciśnienia użytecznego, jako iż jego przebieg jest
interesujÄ…cy dla interpretacji przebiegu momentu obrotowego:
·ð Sposób 1
Gdzie t  czas wykonania pracy Le ; w silniku czterosuwowym
wykonywana w czasie dwóch obrotów wału korbowego silnika
·ð Sposób 2:
Vs  pojemność skokowa jednego cylindra; Vs = Vss / i
Strona 7
Zgodność wyników obu metod potwierdza poprawność obliczeń.
Stąd sprawność ogólna w rozpatrywanym punkcie pomiarowym
4. Tabela z wynikami pomiarów i obliczeń
·ð StaÅ‚e
Gęstość ON
820-845
[kg/m3]
Åšrednia
832.5
Wartość opałowa Wu 43.3 [MJ/kg]
Wsp. wpÅ‚ywu l. suwów Ä
2 [-]
Liczba cylindrów i
4 [-]
Obj. Skok. Silnika Vss 4.4 [dm3]
Obj. Skok. Cylindra Vs
1.1 [dm3]
·ð Wyniki pomiarów
n [obr/min] M [Nm] t1[s] t2[s] t [s]
V [cm3]
Wyniki pomiarów
1000 373 50 19.9 18.7 19.3
1200 402 50 16.45 17.18 16.815
1400 420 50 13.18 13.03 13.105
1600 414 50 12.5 12 12.25
1800 405 50 11.43 10.46 10.945
2000 392 50 10.34 10.34 10.34
2200 173 50 17.43 17.34 17.385
2250 12 50 26.37 26.54 26.455
Strona 8
É [rad/s] Ne [kW] Ne [KM] mpal [kg] Ge [kg/h] ge [kg/(kW*h] Q [MJ] t [s] Le [J] pe [MPa] Le [J] · [-] · [-]
Wyniki obliczeń Le 1 sposób Le 2 sposób
1 sposób 2 sposób
0.12 1171.814 1.065286 1171.814 0.335052 0.335052
104.7198 39.06047 53.10744 0.045 8.393782 0.214892004 0.00349741
125.6637 50.51681 68.68372 0.045 9.634255 0.190713847 0.00334523 0.1 1262.92 1.148109 1262.92 0.377529 0.377529
146.6077 61.57522 83.71897 0.045 12.36169 0.200757623 0.00367908 0.085714 1319.469 1.199517 1319.469 0.358641 0.358641
167.5516 69.36637 94.31198 0.045 13.22449 0.190647004 0.00344388 0.075 1300.619 1.182381 1300.619 0.377661 0.377661
188.4956 76.3407 103.7944 0.045 14.80128 0.193884505 0.00342622 0.066667 1272.345 1.156677 1272.345 0.371355 0.371355
209.4395 82.10029 111.6253 0.045 15.66731 0.190831382 0.00326402 0.06 1231.504 1.119549 1231.504 0.377296 0.377296
230.3835 39.85634 54.18952 0.045 9.318378 0.233799144 0.00176484 0.054545 543.4955 0.494087 543.4955 0.307957 0.307957
235.6194 2.827433 3.844238 0.045 6.123606 2.165782631 0.00113400 0.053333 37.69911 0.034272 37.69911 0.033244 0.033244
·ð
Wyniki obliczeń
Strona 9
5. Wykres  dla przejrzystoÅ›ci wartoÅ›ci ge oraz · przemnożone przez
współczynnik k=10, moc w watach [W]
Strona
10
6 Wnioski
·ð Godzinowe zużycie paliwa dla badanego silnika jest funkcjÄ… rosnÄ…cÄ…
w dziedzinie prędkości obrotowej, aż do osiągnięcia prędkości obrotowej
maksymalnej mocy, potem gwałtownie maleje
·ð Przebieg krzywej godzinowego zużycia paliwa jest zbliżony do przebiegu
krzywej mocy silnika
·ð Zużycie paliwa jednostkowe zgodnie z teoretycznÄ… charakterystykÄ…
prędkościową jest funkcją zbliżoną do wypukłej
·ð Moc konkretnego silnika zwiÄ™ksza siÄ™ wraz ze wzrostem prÄ™dkoÅ›ci
obrotowej dopóty, dopóki wpływ zwiększania prędkości obrotowej jest
większy niż wpływ spadku wartości średniego ciśnienia użytecznego wg
zależności:
Fakt ten tłumaczy charakterystyczne załamania krzywej mocy. Pomiary
przeprowadzane były do prędkości obrotowej 2250 [obr/min], przy
której wartość mocy chwilowej wyniosła ~2.83 [kW]. Jest to wartość
mniejsza niż wartość mocy znamionowej podawanej przez producenta,
więc krzywa osiągnęła ekstremum  wpływ spadku ciśnienia przeważył
wpływu wzrostu prędkości obrotowej.
·ð AnalizujÄ…c przebieg krzywej momentu i odpowiadajÄ…cych wartoÅ›ci
średniego ciśnienia użytecznego w punktach pomiarowych, można
stwierdzić, iż wielkości te są wprost proporcjonalne, tzn. przyrost
ciśnienia powoduje przyrost wartości momentu obrotowego. Dzieje się
tak ze względu na fakt, iż moment obrotowy zależny w uproszczeniu od
średnicy (powierzchni) denka tłoka, długości wykorbienia i
wspomnianego ciśnienia średniego użytecznego; pierwsze 2 wielkości dla
danego silnika są parametrami, czyli są stałe
·ð Wartość sprawnoÅ›ci silnika jest w przybliżeniu równa dla wszystkich
punktów i wynosi w przybliżeniu 0.34. Wynika to z faktu, iż badana była
charakterystyka zewnętrzna silnika, tj. dawka paliwa równa była 100%
maksymalnej wartości. Jest to zgodne z ogólną teorią silników
spalinowych o ZS jako maszyn cieplnych, które osiągają sprawności
ogólne w granicach 0.35.
Strona
11
·ð Sprawność silnika jest zależna od wartoÅ›ci opaÅ‚owej paliwa, na którym
pracuje jednostka
·ð Optymalny punkt pracy dla badanego silnika osiÄ…gany jest przy prÄ™dkoÅ›ci
obrotowej około 1200-1300 [obr/min]  wartość momentu obrotowego
w tych punktach jest zbliżony do wartości maksymalnej, podczas gdy
zużycie paliwa jest znacząco mniejsze niż dla obrotów momentu
maksymalnego (tj. dla około 1400 [obr/min])
·ð Już dla wartoÅ›ci prÄ™dkoÅ›ci obrotowych niewiele wiÄ™kszych od prÄ™dkoÅ›ci
biegu jałowego silnik osiąga wartość momentu na poziomie ~80%
wartości maksymalnej. Fakt ten sprawia, że jednostka ta nadaje się do
zastosowań w wielu maszynach roboczych np. spycharkach.
·ð Dla prÄ™dkoÅ›ci obrotowych wyższych od obrotów mocy maksymalnej do
wartości prędkości maksymalnej badanego silnika tj. 2250 [obr/min]
wartości momentu a co za tym idzie mocy są bardzo niskie  silnik
wytwarza moment potrzebny jedynie na pokonanie własnych oporów
ruchu. Odpowiednio spada godzinowe i jednostkowe zużycie paliwa.
Strona
12