BADANIA HAMOWNIANE GA
ÓWNYCH PARAMETRÓW
EKSPLATACYJNYCH SILNIKA ZI
1. Wprowadzenie
Ze względu na szerokie zastosowanie tłokowych silników spalinowych jako jednostki
napędowe w różnych układach, wymagają one ustawicznych badań nad opracowaniem
nowych jednostek oraz modyfikacji konstrukcji już istniejących.
W celu stworzenia warunków podobnych do tych, jakie występują podczas eksploatacji
silnika w układzie napędowym pojazdu, umieszcza się go na tzw. hamowni silnikowej. Stan
pracy, w jakim znajduje się silnik spalinowy podczas konkretnego rodzaju badań, determinuje
rodzaj pozyskiwanej w tan sposób charakterystyki. Do najważniejszych charakterystyk
silników spalinowych wyznaczanych na stanowisku hamownianym zalicza się:
charakterystyki obciążeniowe,
charakterystyki prędkościowe,
charakterystyki mocy częściowych,
charakterystyki regulacyjne,
charakterystykę zewnętrzną.
Ważniejsze procedury przeprowadzania badań silnika spalinowego ZI, prowadzące do
wyznaczenia niektórych charakterystyk, zaprezentowano na rys. 1. Poza charakterystyką
obciążeniową, badania silnika ZI dokonywane są także na biegu luzem (bez obciążenia). Inna
procedura odnosi się do charakterystyki zewnętrznej silnika, odpowiadającej pełnemu
& &
otwarciu przepustnicy (w zakresie prędkości obrotowej od r0,min do r0,max ), moment obrotowy
osiąga maksymalne wartości w zakresie danej prędkości. Zakres przyjmowanych prędkości
& & &
obrotowych r0 " r0,min, r0,max , jest zgodny z ogólnymi warunkami pracy silnika podanymi
przez jego producenta.
Ważnym elementem podczas realizacji badań na hamowni silnikowej jest osiągnięcie
termicznego stanu ustalonego przez silnik (w pewnych sytuacjach bada się również proces
nagrzewania silnika). W stanie ustalonym występują niezmienne wartości średniej
temperatury w poszczególnych układach silnika, co jest równoznaczne ze stabilizacją
temperatury oleju, cieczy chłodzącej oraz spalin dla określonego punktu pracy silnika, przy
niezmiennych parametrach powietrza i paliwa zasilających silnik. Stan ustalony można
osiągnąć, po kilkudziesięciu minutach (dla mniejszych silników) lub też po kilkudziesięciu
godzinach (dla bardzo dużych jednostek, np. silniki okrętowe).
1
Mo,ez dla Ä…pmax
&
ri = idem
Mo,ek
Mo,ei = idem
Ä… idem < Ä…
pi = pmax
Mo,e H" 0
&
&
rj &
rmin rmax
r0
Prędkość obrotowa wału korbowego &
Oznaczenia:
Mo,ez  charakterystyka momentu zewnętrznego,
Mo,e = 0  charakterystyka biegu luzem (w warunkach badań stanowiskowych
Mo,e posiada niewielką wartość dodatnią),
Mo,ek  złożona eksploatacja silnika,
Mo,ei = idem  charakterystyka prędkościowa silnika,
&
ri = idem  charakterystyka obciążeniowa silnika,
&
rj  prędkość obrotowa biegu jałowego,
&
rmin  minimalna prędkość obrotowa silnika,
&
rmax  maksymalna prędkość obrotowa silnika,
ąpmax  maksymalne (pełne) otwarcie przepustnicy (dla maksymalnego kąta otwarcia),
ąp,i  ustalone położenie przepustnicy (dla określonego kąta otwarcia).
Rys. 1 Procedury badań silnika spalinowego ZI na stanowisku hamownianym
2. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z zasadą działania oraz możliwościami badawczymi-
pomiarowymi hamowni silnikowej z hamulcem elektrowirowym do badań silników z
zapłonem iskrowym (ZI). Podczas zajęć przeprowadzone zostaną pomiary wielkości
fizycznych, niezbędne do wyznaczenia podstawowych charakterystyk obciążeniowych silnika
spalinowego.
2
o,e
Moment obrotowy
M
3. Przebieg ćwiczenia
Podstawowe charakterystyki silnika spalinowego dotyczą kształtowania się jego
wybranych parametrów pracy względem aktualnego obciążenia (efektywnego momentu
&
obrotowego), przy niezmiennej prędkości obrotowej r0 = idem . Przed przystąpieniem do
realizacji pomiarów należy ustalić wartości obciążeń Mo,e=var, dla których zostaną one
przeprowadzone. Minimalną liczbę punktów pomiarowych określa norma PN-80/M-34000
(należy wybrać min. 6 punktów pomiarowych).
Obiektem badań jest tłokowy silnik spalinowy o jednopunktowym wtrysku paliwa typu
170A1.046. Silnik ten, stosowany jest jako jednostka napędowa do małych samochodów
osobowych. Podstawowe parametry pracy oraz dane techniczne badanej jednostki napędowej
przedstawia tablica 1.
Tablica 1
Dane techniczne badanego silnika spalinowego ZI
typ silnika 170A1.046
obr
&
Ne,max = 26,6 kW przy r0 = 5250
min
Ważniejsze, maksymalne
parametry pracy
Nm & obr
Me,max = 60,5 przy r0 = 3250
rad min
z zapłonem iskrowym,
rodzaj silnika
4- suwowy, wolnossÄ…cy
liczba i układ cylindrów 4 cylindry w układzie rzędowm
średnica i skok tłoka 65 x 67,7 mm
pojemność skokowa silnika 0,899 dm3
stopień kompresji (sprężania) 8,8 (14)
Charakterystyka układów silnika CC 900  170A1.046
Układ chłodzenia:
wodne z wymuszonym obiegiem i
rodzaj
regulacją termostatem, chłodnica wody
temperatura cieczy
80 Ä… 5 oC
Układ olejenia:
mieszane  obiegowe pod ciśnieniem i
rodzaj
rozbryzgowe
ciśnienie oleju 0,39 ... 0,46 MPa
temperatura oleju
80 Ä… 5 oC
Układ wtrysku paliwa:
rodzaj wtrysku paliwa jedno punktowy
ciśnienie wtrysku paliwa 0,1 MPa
3
Stanowisko badawcze jest w pełni zautomatyzowane, w połączeniu ze sterownikiem
mikroprocesorowym, umożliwia pomiar najważniejszych parametrów aktualnego stanu pracy
&
silnika spalinowego (prędkość obrotową wału korbowego r0 i moment obrotowy Mo,e na wale
łączącym silnik z hamulcem). Symulacja warunków pracy silnika, jakie mają miejsce w
układzie napędowym pojazdu, odbywa się za pomocą odpowiedniej procedury obciążania
silnika przez system hamulcowy. UrzÄ…dzeniem do odbioru momentu obrotowego silnika
spalinowego umieszczonego na stanowisku badawczym jest hamulec elektrowirowy.
Stabilizację termicznych parametrów pracy hamulca zapewnia układ chłodzenia, wyposażony
w płaszczowo-rurowy wymiennik ciepła. Schemat oraz połączenie głównych elementów
składowych stanowiska hamownianego do badań silnika ZI przedstawia rys. 2.
Rys. 2. Stanowisko z hamulcem elektrowirowym do badań silnika ZI
Wybrany punkt pracy silnika spalinowego (wartość prędkości i momentu obrotowego)
nastawia się poprzez nastawę w kasecie regulacyjno-pomiarowej. Wielkości te są
monitorowane w sposób ciągły za pośrednictwem:
czujnika tensometrycznego, mierzącego obciążenie silnika (Mo,e, Nm/rad)
z dokÅ‚adnoÅ›ciÄ… do 1 Nm/rad, w zakresie 0÷100 Nm/rad,
indukcyjnego nadajnika impulsowego, mierzącego prędkość obrotową wału silnika
&
(r0 , obr/min) z dokÅ‚adnoÅ›ciÄ… 1 obr/min, w zakresie 0÷6000 obr/min.
4
Poprawne chłodzenie silnika spalinowego zapewnia dodatkowy system wymienników
płaszczowo-rurowych odbierających ciepło z obiegu pierwotnego. Ponadto układ smarowania
posiada własny wymiennik ciepła służący do schładzania oleju silnikowego za pomocą
strumienia wody chłodzącej.
Procedura badawcza wykorzystywana w trakcie zajęć polega na zmianie momentu
&
obrotowego Mo,e przy niezmiennej wartości prędkości obrotowej r0 wału silnika. Zmiana
momentu hamującego wywołana jest poprzez zwiększanie (lub zmniejszanie) prądu
wzbudzenia hamulca elektrowirowego. Następnie po ustaleniu parametrów pracy (stan
ustalony) rejestrowane są wartości wielkości zmierzonych:
&
Pi = f(Mo,e) , dla r0 = idem ,
(1)
gdzie:
&
Pi- parametry pracy silnika, Mo,e- moment obrotowy silnika, r0 - prędkość obrotowa silnika.
Pomiary wymaganych wielości fizycznych, sporządza się zgodnie z harmonogramem
&
przedstawionym w tablicy 1 (dla wybranych punktów pracy silnika spalinowego Mo,e, r0 ).
Tablica 2
Parametr Jednostka Wartość
&
r0 obr/min
Mzad Nm/rad
Mo,e Nm/rad
&
mp
g/s
o
tol C
pot kPa
o
tot C
Õ %
W tablicy 2 znajdują się dwa oznaczenia momentu obrotowego, które oznaczają:
Mzad - wartość zadana w panelu sterującym (planowana przez operatora
przeprowadzajÄ…cego badania),
Mo,e - rzeczywista wartość zmierzona (stanowiąca aktualne obciążenie silnika
spalinowego).
5
4. Opracowanie wyników pomiarowych
Da wszystkich punktów pomiarowych otrzymanych podczas badań silnika ZI (zgodnie z
tablicą 2), należy wyznaczyć wartość jednostkowego zużycia paliwa, który wynosi:
&
mp
be = ,
(2)
Ne
&
gdzie: mp , kg/h  masowy strumień zużywanego paliwa, Ne kW,  moc efektywna silnika
Wskaz
nik ten umożliwia porównanie pod względem jakościowym przebiegu procesu
konwersji energii, zachodzących w różnych silników spalinowych. W następnej kolejności
należy określić energetyczną efektywną sprawność badanego silnika spalinowego:
Ne
·e = ,
(3)
&
mp Wd,n
kg
&
gdzie: Ne , kW  efektywna silnika spalinowego, mp , /s  strumień spalanego paliwa o
wartości opałowej Wd,n , kJ/kg.
Zależność pomiędzy mierzonym momentem efektywnym Mo,e, a mocą efektywną Ne
pozyskiwaną na wale korbowym jest następująca:
Ne = É Mo,e ,
(4)
gdzie: É , rad/s  prÄ™dkość kÄ…towa waÅ‚u korbowego.
Występującą w równaniu 2, wartość opałową paliwa Wd,n , należy wyznaczyć na
podstawie dostępnych danych literaturowych, wiedząc że podczas badań silnik spalinowy
zasilany jest benzyną bezołowiową o oznaczeniu handlowym Pb95. Ponieważ wartość Wd,n
nie jest wielkością określaną podczas ćwiczeń, konieczne jest sprawdzenie wpływu
przyjmowanych przez nią wartości na uzyskiwane wyniki obliczeń sprawności energetycznej
·e silnika. AnalizÄ™ przeprowadzić, zakÅ‚adajÄ…c zmiany wartoÅ›ci opaÅ‚owej paliwa Wd,n Ä… 5% .
5. Przygotowanie sprawozdania
Sprawozdanie z przeprowadzonego ćwiczenia laboratoryjnego należy opracować według
następującego porządku:
1. Charakterystyka obiektu przeznaczonego do badań łącznie ze szkicem oraz opisem
stanowiska badawczego wraz z układami pomiarowymi.
6
2. Opis metodyki badawczej. Sposób postępowania podczas pomiaru, wartości
zastosowanych nastaw urządzeń pomiarowych.
3. Prezentacja wyników badań. Należy przeprowadzić kompletne obliczenia
sprawdzające dla wybranego punktu pomiarowego, pozostałą część wartości
wszystkich wielkości obliczonych należy umieścić w tabeli.
4. Interpretacja graficzna opracowanych wyników pomiarowych. Narysować
&
wykresy be = f(Mo,e), ·e = f(Mo,e), mp = f(Mo,e) .
5. Wnioski.
7