POLITECHNIKA WARSZAWSKA

WYDZIAŁ SAMOCHODÓW I MASZYN ROBOCZYCH

Instytut Pojazdów

Laboratorium Silników spalinowych

SPRAWOZDANIE

Ćwiczenie nr 3: Charakterystyka obciążeniowa silnika spalinowego o ZS.

1. Jasiński Paweł

studia dzienne gr. 3.2MiBM

zespół laboratoryjny D10

data wykonania ćwiczenia: 18.12.2015

1. Opis charakterystyki obciążeniowej:

Charakterystyki obciążeniowe są wyznaczane w ramach klasycznych statycznych badań silników zarówno dla silników o zapłonie iskrowym jak i samoczynnym. Wykorzystywane są do oceny parametrów pracy silników, oceny porównawczej silników, do wyznaczania charakterystyk ogólnych (warstwicowych, uniwersalnych). Wykonuje się je dla kilku wartości prędkości obrotowych z zakresu roboczych prędkości obrotowych silnika. Są to przede wszystkim prędkości: prędkość znamionowa n_N ( prędkość obrotowa, przy której występuje moc maksymalna), 0,75 n_N, n_M (prędkość obrotowa, przy której występuje moment maksymalny), a także 50%, 60%, 70%, 80%, 90% prędkości znamionowej. Jeśli charakterystyki będą wykorzystane do wyznaczenia charakterystyki ogólnej, wykonuje się je zwykle w zakresie roboczych prędkości obrotowych silnika z krokiem, co 100 obr/min, zmniejszając krok w miejscach niejednoznacznych przebiegów krzywych na charakterystyce ogólnej.

Charakterystyka obciążeniowa jest wykonywana przy stałej prędkości obrotowej wału korbowego silnika. Zmienne jest dawkowanie urządzenia zasilającego. Stała prędkość obrotowa wału korbowego jest utrzymywana przez odpowiednio zmieniane za pomocą hamulca obciążenie silnika.

Typowa charakterystyka obciążeniowa przedstawia zależność natężenia zużycia paliwa Ge oraz jednostkowego zużycia paliwa ge od obciążenia silnika przedstawianego jako moc użyteczna Ne, moment obrotowy Me lub ciśnienie użyteczne pe.

Zależnie od wymagań prowadzonych badań można charakterystykę uzupełnić o np.: sprawność ogólną ηe, zawartość w spalinach tlenku węgla CCO, dwutlenku węgla CCO2 węglowodorów CHC, tlenków azotu CNOx, cząstek stałych CPM oraz o stopień zadymienia spalin D. W przypadku silników o zapłonie samoczynnym może to być również współczynnik nadmiaru powietrza 𝞴 oraz wielkość dawki (ilość) wtryskiwanego paliwa.

1. Schemat blokowy:

2. Pomiary

Lp.	M [Nm]	n [obr/min]	d [mg]	α [°]	p [MPa]
1	80	1600	8,2	-5,88	78÷80
2	70	1600	7,1	-6,00	74÷76
3	60	1600	6,3	-6,00	69÷71
4	50	1600	5,5	-6,00	64÷66
5	40	1600	4,7	-6,00	59÷61
6	30	1600	3,5	-5,88	53÷55
7	20	1600	2,7	-5,88	49÷51
8	10	1600	2	-5,88	46÷48
9	0 (2,5)	1600	1,6	-5,88	43÷45

Oznaczenia:

d - dawka paliwa [mg]

M- moment obrotowy [Nm]

g - jednostkowe zużycie paliwa [g/kWh]

N_e - moc użyteczna silnika

p - ciśnienie na zasobniku [MPa]

G - godzinowe zużycie paliwa [kg/h]

ω - prędkość kątowa wału korbowego silnika [rad/s]

W_u - wartość opałowa paliwa [MJ/kg]

α - kąt wtrysku [^o]

η_e - sprawność ogólna [%]

i - liczba cylindrów silnika

n - prędkość obrotowa [obr/min]

Wartość opałowa paliwa: $W_{U}\tilde{=}43,2\ \ \lbrack\frac{\text{MJ}}{\text{kg}}\rbrack$

1. Obliczenia:

$$\omega = \frac{\pi*n}{30}$$

$$N_{e} = \frac{M}{1000}*\omega\ \left\lbrack Nm*\frac{\text{kNm}}{\text{Nm}}*\frac{1}{s} \right\rbrack = \frac{M}{1000}*\omega\ \left\lbrack \frac{\text{kNm}}{s} \right\rbrack = \frac{M}{1000}*\omega\ \left\lbrack \text{kW} \right\rbrack$$

Liczba cylindrów silnika: i=4

W celu wyznaczenia wzorów na sprawność oraz jednostkowe i godzinowe zużycie paliwa musimy sprawdzić co oznaczała wartość dawki paliwa wyświetlana na komputerze (nie wiadomo na ile cylindrów przypadała zmierzona dawka). Możliwe są 3 przypadki mg/obr, mg/(obr*i) czy mg/(obr*i/2).

Obliczam jednostkowe zużycie paliwa dla tych trzech przypadków:

1. d [mg/obr]

$$g1 = \frac{d}{1000}*n*60*\frac{1}{N_{e}}\ \left\lbrack \frac{\frac{\text{mg}}{\text{obr}}}{\frac{\text{mg}}{g}}*\frac{\text{obr}}{\min}*\frac{\min}{h}*\frac{1}{\text{kW}} \right\rbrack = \frac{0,06*d*n}{N_{e}}\ \left\lbrack \frac{g}{\text{kWh}} \right\rbrack$$

1. d[mg/obr*i]

$$g2 = \frac{d*i}{1000}*n*60*\frac{1}{N_{e}}\ \left\lbrack \frac{\frac{mg*cyl}{obr*cyl}}{\frac{\text{mg}}{g}}*\frac{\text{obr}}{\min}*\frac{\min}{h}*\frac{1}{\text{kW}} \right\rbrack = \frac{0,06*d*n*i\ }{N_{e}}\left\lbrack \frac{g}{\text{kWh}} \right\rbrack$$

1. d[mg/(obr*i/2)]

$$g3 = \frac{d*i}{1000*2}*n*60*\frac{1}{N_{e}}\ \left\lbrack \frac{\frac{mg*cyl}{obr*cyl}}{\frac{\text{mg}}{g}}*\frac{\text{obr}}{\min}*\frac{\min}{h}*\frac{1}{\text{kW}} \right\rbrack = \frac{0,03*d*n*i\ }{N_{e}}\left\lbrack \frac{g}{\text{kWh}} \right\rbrack$$

Wyznaczam wartości jednostkowego zużycia paliwa dla danych:

M=70[Nm]

g=7,1 [mg]

n=1600 [obr/min]

$$\omega = \frac{\pi*n}{30} = \frac{1600*3,14159}{30} = 167,5516\ \frac{1}{s}$$

$$N_{e} = \frac{M}{1000}*\omega = \frac{70}{1000}*167,5516 = 11,729\ kW$$

$$g1 = \frac{0,06*7.1*1600}{11,729} = 58,12\ \frac{g}{\text{kWh}}$$

$$g2 = \frac{0,06*7,1*1600*4}{11,729} = 232,45\ \frac{g}{\text{kWh}}$$

$$g3 = \frac{0,03*6,3*1600*4}{11,729} = 116,25\ \frac{g}{\text{kWh}}$$

Silnik spalinowe stosowane w samochodach osobowych nie osiągają jednostkowego zużycia paliwa poniżej 200g/kWh, dzięki czemu przyjmujemy, że dawka paliwa podawana przez komputer określa ilość paliwa przypadającą na każdy cylinder w czasie jednego obrotu wału korbowego.

d_f - łączna dawka paliwa przypadająca na jeden obrót wału korbowego

$$d_{f} = d*i = 4*d\ \frac{\text{mg}}{\text{obr}}$$

$$G = \frac{d_{f}}{1000000}*n*60\ \left\lbrack \frac{\frac{\text{mg}}{\text{obr}}}{\frac{\text{mg}}{\text{kg}}}*\frac{\text{obr}}{\min}*\frac{\min}{h} \right\rbrack = 0.00006*d_{f}*n\ \left\lbrack \frac{\text{kg}}{h} \right\rbrack$$

$$g = \frac{G*1000}{N_{e}}\ \left\lbrack \frac{\frac{\text{kg}}{h}*\frac{g}{\text{kg}}}{\text{kW}} \right\rbrack = \frac{G*1000}{N_{e}}\ \left\lbrack \frac{g}{\text{kWh}} \right\rbrack$$

$$\eta_{e} = \frac{1000*3,6}{g*W_{u}}*100\%\ \left\lbrack \frac{\frac{g}{\text{kg}}*\frac{\text{MJ}}{\text{kWh}}*\%}{\frac{g}{\text{kWh}}*\frac{\text{MJ}}{\text{kg}}} \right\rbrack = \frac{3600}{g*W_{u}}*100\%\ \lbrack\%\rbrack\ $$

M [Nm]	n [obr/min]	d [mg]	α [°]	p [MPa]
80	1600	8,2	-5,88	78÷80
70	1600	7,1	-6,00	74÷76
60	1600	6,3	-6,00	69÷71
50	1600	5,5	-6,00	64÷66
40	1600	4,7	-6,00	59÷61
30	1600	3,5	-5,88	53÷55
20	1600	2,7	-5,88	49÷51
10	1600	2	-5,88	46÷48
0 (2,5)	1600	1,6	-5,88	43÷45

ω [rad/s]	Ne [kW]	df [mg/obr]	G[kg/h]	g [g/(kW *h)]	ηe [-]
167,551	13,40	32,8	3,148	234,912	35,97
167,551	11,73	28,4	2,726	232,457	36,35
167,551	10,05	25,2	2,419	240,642	35,12
167,551	8,38	22	2,112	252,101	33,52
167,551	6,70	18,8	1,804	269,290	31,38
167,551	5,03	14	1,344	267,380	31,61
167,551	3,35	10,8	1,036	309,397	27,31
167,551	1,68	8	0,768	458,366	18,44
167,551	0,42	6,4	0,614	1466,771	5,76

1. Wykresy:

Wykres 1. Godzinowe i jednostkowe zużycie paliwa w funkcji momentu obciążającego.

Wykres 2. Dawka wtrysku i ciśnienie w funkcji momentu obciążającego.

Wykres 3. Sprawność teoretyczna silnika o zapłonie samoczynnym w funkcji momentu obciążającego.

Wykres 4. Kąt wtrysku.

1. Wnioski:

Sprawność teoretyczna silnika o zapłonie samoczynnym zawiera się w przedziale od 25 do 36%. Wraz ze wzrostem momentu obrotowego silnika rośnie godzinowe zużycie paliwa, ciśnienie w zasobniku oraz sprawność. Ciśnienie rosło gdyż potrzebna była większa dawka paliwa. W przedziale 0-20Nm jednostkowe zużycie paliwa maleje o duże wartości, pomiędzy wartościami 20-80Nm minimalnie się zmienia. Wartości kąta wtrysku nie ulegają dużym zmianom podczas operowaniem momentem. Dawka paliwa pokazywana przez komputer przypadała na jeden cylinder silnika.

Otrzymane wyniki nie są w 100% dokładne, gdyż silnik był eksploatowany oraz poszczególne elementy mogą być zużyte nie spełniając prawidłowych zadań. Dodatkowo wyniki mogą być obarczone niedokładnością pomiarów i błędami.

Charakterystyka obciążeniowa pozwala nam zauważyć, że aby utrzymać stałą prędkość obrotową silnika, przy zwiększającym się momencie obciążającym wał silnika, musi wzrosnąć dawka paliwa. Wzrost sprawności oznacza, że przy zwiększającym się obciążeniu, spada jednostkowe zużycie paliwa. Potrzeba mniej paliwa, aby uzyskać tą samą moc przy wyższej sprawności. Dawka wtryskiwanego paliwa jest dawką główną oraz wtryskiwaną na jeden cylinder.