Opracował: Adam Ustrzycki Katedra Silników Spalinowych i Transportu
LABORATORIUM SILNIKÓW SPALINOWYCH
Materiały pomocnicze
Temat: Ocena procesu spalania na podstawie wykresu indykatorowego
Indykowanie tłokowego silnika spalinowego oznacza pomiar szybkozmiennych ciśnień w
cylindrze silnika i stanowi podstawę jakościowej i ilościowej analizy zjawisk cieplno-
chemicznych oraz przepływowych zachodzących w silniku. Znajomość przebiegu ciśnienia,
temperatury i współczynnika nadmiaru powietrza w komorze spalania jest niezbędna przy
doskonaleniu procesu spalania z jednoczesnym uwzględnieniem mo\
liwości ograniczenia
szkodliwych, toksycznych składników w spalinach [1]. W wyniku indykowania silnika
otrzymujemy wykres indykatorowy.
Wykres indykatorowy jest to wykres przedstawiający zmiany ciśnienia czynnika roboczego
w cylindrze w czasie całego cyklu pracy [3].
Rozró\
nia się następujące rodzaje wykresów indykatorowych:
" zamknięte,
" otwarte;
- pełne,
- częściowe,
- wielokrotne.
Wykres indykatorowy zamknięty przedstawia przebieg ciśnienia czynnika roboczego w
cylindrze w funkcji chwilowej objętości komory spalania lub drogi tłoka. Zamknięte wykresy
indykatorowe sporządza się w celu porównania obiegu rzeczywistego z teoretycznym. Na rys. 1
przedstawiono wykresy indykatorowe zamknięte dla silników dwusuwowych, a na rys. 2, dla
silników czterosuwowych. Oznaczenia punktów charakterystycznych obiegu silnika zaznaczone
na wykresach przedstawiono w tabeli 1.
b)
a)
Rys. 1. Wykres obiegu teoretycznego i wykres indykatorowy rzeczywistego obiegu dwusuwowego pracy
silnika [4]: a) o zapłonie samoczynnym, b) o zapłonie iskrowym
Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa Politechnika Rzeszowska
Opracował: Adam Ustrzycki Katedra Silników Spalinowych i Transportu
a) b)
Rys. 2. Wykres obiegu teoretycznego i wykres indykatorowy rzeczywistego obiegu czterosuwowego
pracy silnika [4]: a) o zapłonie samoczynnym, b) o zapłonie iskrowym
Wykres indykatorowy otwarty przedstawia przebieg ciśnienia czynnika roboczego w
cylindrze w funkcji kąta obrotu wału korbowego lub czasu. Pełny (jednokrotny), otwarty wykres
indykatorowy przedstawia jeden pełny cykl pracy (dla silnika czterosuwowego - 720 �OWK).
Wykresy częściowe sporządza się dla wybranej części całego cyklu pracy silnika, natomiast
wykresy wielokrotne zagęszczone przedstawiają przebieg ciśnienia w cylindrze w dłu\
szym
przedziale czasowym (zarejestrowanych jest od kilku do kilkudziesięciu pełnych cykli pracy
silnika.
Otwarte wykresy indykatorowe sporządza się w celu analizy cyklu pracy silnika lub
wybranego fragmentu np. procesu spalania, procesu napełniania lub wylotu. Na wykresach
wielokrotnych mo\
liwa jest ocena niepowtarzalności kolejnych obiegów pracy silnika.
Oznaczenia charakterystycznych wielkości na wykresach otwartych przedstawiono w tabeli 2.
Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa Politechnika Rzeszowska
Opracował: Adam Ustrzycki Katedra Silników Spalinowych i Transportu
5
4
3
2
1
0
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630 660 690 720
Kąt obrotu wału korbowego, ą [ OWK]
Rys. 3. Wykres indykatorowy rozwinięty silnika badawczego SB3.1 o zapłonie samoczynnym z układem
Common Rail, zarejestrowany przy częściowym obcią\
eniu i prędkości obrotowej n=1200
obr/min [2]
a)
b)
Rys. 4. Częściowy wykres indykatorowy rozwinięty silnika [4]: a) o zapłonie samoczynnym, b) o zapło-
nie iskrowym
a)
b)
Rys. 5. Otwarty wykres indykatorowy (tzw. wykres zagęszczony) ilustrujący niepowtarzalność kolejnych
obiegów pracy silnika o zapłonie iskrowym: a) - bieg luzem, b) - du\
e obcią\
enie silnika
Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa Politechnika Rzeszowska
Ci
ś
nienie w cylindrze, p [MPa]
Opracował: Adam Ustrzycki Katedra Silników Spalinowych i Transportu
Tabela 1. Punkty charakterystyczne obiegów rzeczywistych [3]
Nazwa Oznaczenie Określenia
Początek dolotu Początek otwarcia zaworu lub okna
PD
Inlet opening dolotowego
Koniec dolotu Koniec otwarcia zaworu lub okna
KD
Inlet closing dolotowego
Początek wylotu Początek otwarcia zaworu lub okna
PW
Outlet opening wylotowego
Koniec wylotu Koniec otwarcia zaworu lub okna
KW
Outlet closing wylotowego
Początek wtrysku paliwa
PWP Początek wtryskiwania paliwa do cylindra
Fuel injection begining
Koniec wtrysku paliwa
KWP Koniec wtryskiwania paliwa do cylindra
Fuel injection end
Wystąpienie iskry
WI Początek rozwarcia styków przerywacza
Sparking moment
Punkt zapłonu Początek wzrostu ciśnienia spowodowany
PZ
Ignition point procesem spalania
Tabela 2. Wielkości charakterystyczne obiegów rzeczywistych [3]
Nazwa Oznaczenie Miara Określenia
Kąt wtrysku (otwarcia
Kąt obrotu wału korbowego odpowiadający
iglicy wtryskiwacza) ąw �OWK (rad)
okresowi wtryskiwania paliwa do cylindra
Injection angle
Poło\
enie tłoka, przy którym występuje
Wyprzedzenie wtrysku ąww początek wtrysku paliwa, określone
�OWK (rad)
Injection advance �ww s względem GMP przez kąt obrotu wału
korbowego lub czas
Poło\
enie tłoka odpowiadające punktowi
ąwz
�OWK (rad)
Wyprzedzenie zapłonu zapłonu, określone względem GMP przez
hwz
mm
Ignition advance kąt obrotu wału korbowego, drogę tłoka,
�wz s
lub czas
Kąt obrotu wału korbowego lub czas,
Zwłoka zapłonu
ązz określony od wystąpienia iskry elektrycznej
�OWK (rad)
(samozapłonu)
�wz s lub od początku wtrysku paliwa do punktu
Ignition delay
zapłonu (samozapłonu)
Sporządzanie wykresu indykatorowego
Pomiary szybkozmiennych ciśnień w komorze spalania najprościej i najekonomiczniej jest
przeprowadzać na jednocylindrowych silnikach doświadczalnych. Określenie parametrów
indykowanych wielocylindrowych silników utrudnione jest niepowtarzalnością procesów
roboczych zachodzących zarówno w poszczególnych cyklach pracy pojedynczego cylindra, jak i
pomiędzy poszczególnymi cylindrami. Ró\
nice między wskaz
nikami indykowanymi poszcze-
gólnych cylindrów mogą osiągnąć 15 - 20 % [1].
Do indykowania silnika stosuje się specjalne systemy rejestrujące, które w czasie
rzeczywistym mogą wykonywać obliczenia i analizy oraz przedstawiać je w postaci graficznej na
ekranie komputera (np. Indimodul 621 firmy AVL). Rejestracji przebiegów szybkozmiennych
mo\
na dokonać równie\
za pomocą komputerowego systemu rejestrującego przedstawionego na
rys. 6. Zasadniczym elementem tego systemu jest komputer wyposa\
ony w kartę pomiarową o
du\
ej częstotliwości próbkowania oraz oprogramowanie do akwizycji i analizy danych [2].
Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa Politechnika Rzeszowska
Opracował: Adam Ustrzycki Katedra Silników Spalinowych i Transportu
szyna paliwa
dopływ paliwa z
pompy wysokiego
zbiornik z wodą do
rurki doprowadzające
ciśniena
chłodzenia czujnika
wodę do czujnika czujnik ciśnienia
w przewodzie
wtryskowym
Wy
głowica silnka
czujnik ciśnienia
We
korpus silnika
wzmacniacz
komora spalania
sygnały: napięcia
ładunku
i prądu wtryskiwacza,
komputer rejestrujący
karta pomiarowa
ciśnienie w kolektorze
dolotowym itp.
koło pasowe
sygnały znacznika i kąta
poło\
enia wału korbowego
enkoder zamontowany na
końcu wału korbowego
Rys. 6. Schemat stanowiska do indykowania silnika [2]
Sygnał ciśnienia doprowadzany jest do komputera rejestrującego z czujnika ciśnienia
współpracującego z odpowiednim torem pomiarowym. Do rejestracji ciśnień szybkozmiennych w
cylindrze silnika stosuje się zazwyczaj piezoelektryczne czujniki ciśnienia (rys 7-9), w których
wykorzystywany jest efekt piezoelektryczny, czyli generowanie ładunku elektrycznego przez
kryształ kwarcu pod wpływem przyło\
onej do niego siły. Przetwornik tego typu musi
współpracować z tzw. wzmacniaczem ładunku, który przetwarza wytworzony przez kryształ
ładunek na napięcie elektryczne. Napięcie to, rejestrowane jest przez kartę pomiarową
zainstalowaną w komputerze. Uzyskane w ten sposób dane są zapisywane na dysku i mogą być w
dalszej kolejności poddane analizie.
Pomiary ciśnienia powinny być prowadzone w odniesieniu do poło\
enia wału korbowego,
co wymaga enkodera zamontowanego na wale korbowym, którego impulsy wykorzystywane są
do sterowania procesem akwizycji danych.
Do indykowania silników stosuje się ró\
nego rodzaju odmiany czujników ciśnienia,
dostosowane zakresem pomiarowym ciśnienia, zakresem dopuszczalnych temperatur oraz
wymiarami do badanych silników.
Rys. 7. Piezoelektryczny czujnik ciśnienia
(chłodzony) [5]: a) wymiary czujnika, b) widok
czujnika
Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa Politechnika Rzeszowska
Opracował: Adam Ustrzycki Katedra Silników Spalinowych i Transportu
W przypadku braku miejsca na zamontowanie czujnika mo\
e być stosowany miniaturowy
czujnik montowany w miejsce świecy \
arowej w specjalnym adapterze (rys. 8) lub czujnik
zintegrowany ze świecą (rys. 9).
a) b) c)
d)
kabel czujnika
Adapter AG03
Rys. 8. Miniaturowy czujnik ciśnienia [5]: a) wymiary czujnika, b) sposób bezpośredniego monta\
u
czujnika, c) monta\
za pomocą adaptera w otworze świecy \
arowej, d) widok czujnika
a)
b)
Rys. 9. Piezoelektryczny czujnik ciśnienia zintegrowany ze
świecą zapłonową [5]: a) przekrój adaptera, b) widok
świecy
Podczas indykowania silnika, poza pomiarem ciśnienia czynnika roboczego w cylindrze
mierzone są zazwyczaj tak\
e inne parametry tj.: ciśnienie w układzie wtryskowym, wznios iglicy
wtryskiwacza, sygnały elektryczne sterujące pracą wtryskiwacza oraz inne, które ułatwiają analizę
wykresu indykatorowego.
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.
[4] PN-81/M-01501: Silniki spalinowe tłokowe  Podstawowe wielkości i parametry -
Terminologia. PKN, Warszawa 1982.
[5] Katalogi produktów firmy AVL. Graz 2010.
Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa Politechnika Rzeszowska