T_12 Silnik Spalinowy

POLITECHNIKA ŁÓDZKA

Katedra Techniki Cieplnej i Chłodnictwa

LABORATORIUM Z TERMODYNAMIKI

Ćwiczenie nr T-12

Temat: BADANIE SILNIKA SPALINOWEGO O ZAPŁONIE ISKROWYM .

Opracował: dr inż. Andrzej Zawadzki

Łódź - 2007

Katedra Techniki Cieplnej i Chłodnictwa 90-924 Łód ź; ul. Stefanowskiego 1/15 tel. 042 631 23 12; 042 631 23 11; fax 042 636 74 8 1; e-mail: [email protected]

T-12. BADANIE SILNIKA SPALINOWEGO O ZAPŁONIE IS KROWYM

Str.2/30

BADANIE SILNIKA SPALINOWEGO O ZAPŁONIE ISKROWYM

1.CEL ĆWICZENIA

Najczęściej celem badania silnika samochodowego jest: • opracowanie charakterystyk silnika, • sporządzenie bilansu energetycznego, • pomiar niektórych, szczególnie interesujących wielkości, np. : jednostkowego zużycia paliwa, zużywania się części

silnika, badanie przeciążalności silnika w wyjątkowo trudnych warunkach pracy, itp. Aby wykonać tak postawione zadanie, należy zmierzyć pewne wielkości charakterystyczne i ustalić związki, jakie między nimi zachodzą. W przypadku opracowywania charakterystyk silnika i sporządzania jego bilansu energetycznego, mierzonymi lub wyznaczanymi wielkościami są: • moc użyteczna (ewentualnie indykowana), • prędkość obrotowa wału napędowego, • moment obrotowy, • zużycie paliwa, • zużycie jednostkowe paliwa, • straty (chłodzenia, odlotowa i inne), • ustawienie kąta zapłonu, • skład paliwa, • skład spalin. Niektóre z wymienionych wielkości mierzy się bezpośrednio, inne oblicza się podstawiając do odpowiednich wzorów inne wielkości, które należy zmierzyć. Celem ćwiczenia jest więc przeprowadzenie pomiarów koniecznych do wyznaczenia podstawowych charakterystyk silnika spalinowego i sporządzenia jego bilansu energetycznego.

2.WIADOMO ŚCI PODSTAWOWE

2.1. WSTĘP Silnik jest to maszyna przetwarzająca różne rodzaje energii na pracę mechaniczną w sposób ciągły lub okresowy. Silnik wykonujący pracę kosztem energii cieplnej doprowadzonej z zewnątrz lub uwolnionej w czasie procesu spalania wewnątrz komory silnika nazywany jest silnikiem cieplnym. Silniki cieplne spalinowe są to silniki cieplne o spalaniu wewnętrznym, do których doprowadzane jest paliwo i powietrze, z których w wyniku spalania wewnątrz silnika powstają spaliny usuwane następnie do otoczenia. W cieplnym silniku spalinowym nie jest realizowany obieg termodynamiczny, ale zmiany stanu czynnika mogą być porównywane ze zmianami zachodzącymi w teoretycznym obiegu porównawczym. W silniku cieplnym tłokowym ruch tłoka spowodowany jest zmiennym naciskiem czynnika roboczego na denko tłoka, co wywołuje na ogół ruch posuwisto-zwrotny tłoka lub wyjątkowo ruch obrotowy. Przedmiotem badań jest w tym ćwiczeniu tłokowy silnik spalinowy. W silnikach tego typu ciepło wydzielane wskutek spalenia mieszanki paliwowo-powietrznej powoduje wzrost energii wewnętrznej czynnika termodynamicznego zamkniętego w cylindrze pod tłokiem. Czynnik ten rozprężając się działa na tłok, przesuwając go i wprawiając w ruch układ korbowy powodując ruch obrotowy wału korbowego. Energia kinetyczna tego ruchu może być wykorzystana do celów napędowych. Tłokowy silnik spalinowy jest urządzeniem znanym, produkowanym i stosowanym już od ponad 100 lat, czyli jest to dojrzała i sprawdzona konstrukcja, dopracowana technologicznie. Jednak prace konstrukcyjno-badawcze prowadzone są w dalszym ciągu, aby sprostać rosnącym wymaganiom dotyczącym zmniejszenia zużycia paliwa, poprawy trwałości i niezawodności. Badania silników spalinowych mają przede wszystkim na celu sprawdzenie czy silnik w rzeczywistości zachowuje się tak, jak przewidywał to konstruktor w fazie projektowej. Czy silnik przy określonych prędkościach obrotowych rozwija przewidzianą moc, czy towarzyszy temu odpowiedni moment obrotowy na wale napędowym i czy zużycie paliwa nie przekracza ustalonych granic. Pomiary służące do sprawdzania wyżej wymienionych własności prowadzone są na stanowiskach badawczych zwanych hamowniami. Wyniki otrzymane podczas badań służą do sporządzenia charakterystyk ogólnych (zewnętrznych) badanego silnika. Charakterystyki te wykorzystywane są do porównywania różnych silników, uzyskania informacji o jakości danej konstrukcji silnika, czy też sprawdzania jakości przeprowadzonych remontów i napraw.

2.2. SILNIKOWE OBIEGI PORÓWNAWCZE Tłokowe silniki spalinowe są silnikami cieplnymi, wewnątrz których następuje spalanie mieszanki paliwowo-powietrznej, w wyniku czego czynnik roboczy wywiera zmienny nacisk na denko tłoka wywołując jego ruch. Tego typu silniki mogą być realizowane tylko jako silniki o spalaniu nieciągłym, w których objętość roboczego czynnika termodynamicznego zmienia się okresowo w czasie. Z silnika spalinowego wypływają spaliny o składzie chemicznym i


Str. 3/30

stanie termodynamicznym całkowicie różnym od składu chemicznego i stanu termodynamicznego mieszanki zasysanej do silnika. Zbiór kolejnych następujących po sobie stanów czynnika roboczego w silniku spalinowym nie stanowi zatem obiegu, lecz może zostać porównany z obiegiem teoretycznym, zwanym obiegiem porównawczym. Ponieważ obiegi porównawcze nie są przeznaczone do dokładnych obliczeń silników, a jedynie do wyciągania wniosków ogólnych, celowe jest przyjęcie w nich daleko idących założeń upraszczających w odniesieniu do przebiegów rzeczywistych. Zakładamy, że w obiegu porównawczym silnika spalinowego mamy stałą ilość czynnika termodynamicznego o stałym składzie chemicznym. Czynnikiem roboczym jest gaz doskonały o stałym cieple właściwym. Obieg porównawczy zbudowany jest wyłącznie z typowych przemian odwracalnych. W obiegach tych nie uwzględnia się rozpraszania pracy, co występuje w rzeczywistych przemianach. Nieodwracalny proces spalania zastąpiony zostaje doprowadzeniem ciepła z zewnątrz do obiegu podczas przemiany izobarycznej lub izochorycznej, przy założeniu tego samego przyrostu temperatury co przy spalaniu. Punkty przecięć przemian tworzących obieg porównawczy nazywane są punktami węzłowymi obiegu i są numerowane począwszy od początku sprężania, dla obiegu silnikowego zgodnie z ruchem wskazówek zegara.

2.2.1. OBIEG OTTO W obiegu Otto (rys. 1) ciepło jest doprowadzane i odprowadzane przy stałej objętości (izochorycznie - przemiany 2-3 i 4-1). Sprężanie i rozprężanie odbywa się adiabatycznie, tzn. bez wymiany ciepła z otoczeniem, przy stałej entropii. Praca jest wykonywana jedynie podczas przemiany rozprężania (linia 3-4). Sprawność termiczna obiegu Otto, czyli stosunek pracy teoretycznie uzyskanej do ciepła doprowadzonego, można wyrazić zależnością

1

11

−−= κε

ηtO (1)

gdzie : ηtO - sprawność termiczna obiegu Otto; ε = (V0 + VS)/VS - geometryczny stopień sprężania; κ - wykładnik izentropy.

Rys. 1. Obieg Otto w układach p-V i T-s.

Sprawność termiczna obiegu Otto rośnie wraz ze wzrostem ε (stopień kompresji, ε = V1/V2) oraz stosunku ciepeł właściwych κ, nie zależy natomiast od ilości doprowadzonego i odprowadzonego ciepła, czyli od obciążenia silnika. Obieg Otto służy jako obieg porównawczy dla silników spalinowych o zapłonie iskrowym, zasilanych paliwem gazowym lub lekkim paliwem ciekłym, najczęściej benzyną silnikową, przy stopniach kompresji nie przekraczających 8,5. Przy wyższych ε występuje spalanie detonacyjne, szkodliwe dla silnika ze względu na zwiększone obciążenia cieplne i mechaniczne silnika.

2.2.2. OBIEG DIESLA

W obiegu Diesla (rys. 2) ciepło jest doprowadzane przy stałym ciśnieniu (izobarycznie - przemiana 2-3), zaś odprowadzane przy stałej objętości (izochorycznie, przemiana 4-1). Sprężanie i rozprężanie odbywa się adiabatycznie (izentropowo, przemiany 1-2 i 3-4). Praca zewnętrzna jest wykonywana podczas przemiany izobarycznej 2-3 i adiabatycznej 3-4, zaś sprawność termiczną można wyrazić zależnością

1

1111

1 −−⋅⋅−= − ϕ

ϕεκ

ηκ

κtD (2)

gdzie: ηtD - sprawność termiczna obiegu Diesla; ε = (V0 + VS)/VS - geometryczny stopień sprężania ; κ - wykładnik izentropy; ϕ = V3/V2 - stopień obciążenia.


Str.4/30

Rys. 2. Obieg Diesla w układach p-V i T-s.

Dla obiegu Diesla sprawność termiczna rośnie ze wzrostem stopnia kompresji ε oraz stosunku ciepeł właściwych κ, maleje natomiast ze wzrostem stopnia obciążenia ϕ. Sprawność tego obiegu jest niższa od sprawności termicznej obiegu Otto zrealizowanego przy tym samym stopniu kompresji ε. Jednak ponieważ w silnikach o zapłonie samoczynnym wykorzystywane są zazwyczaj znacznie wyższe stopnie kompresji ε = 14÷22 niż w silnikach o zapłonie iskrowym ε = 6,5÷8,5 , więc sprawności termiczne obiegu Diesla odpowiadającego rzeczywistym konstrukcjom są wyższe od sprawności obiegu Otto, zaś sprawności silników o zapłonie samoczynnym są wyższe od sprawności silników o zapłonie iskrowym. Obieg Diesla służył jako obieg porównawczy dla pierwszych silników o zapłonie samoczynnym z wtryskiem paliwa za pomocą sprężonego powietrza, które wynalazł Diesel, jest jednak mniej odpowiedni jako obieg porównawczy dla współczesnych silników o zapłonie samoczynnym.

2.2.3. OBIEG SABATHÉ-SEILIGERA Obieg Sabathé-Seiligera (rys. 3) jest najbardziej ogólną postacią obiegu porównawczego dla tłokowych silników spalinowych. Cechą charakterystyczną tego obiegu jest doprowadzanie ciepła częściowo przy stałej objętości (izochorycznie, przemiana 2-3) i częściowo przy stałym ciśnieniu (izobarycznie, przemiana 3-4). Odprowadzanie ciepła następuje przy stałej objętości (izochorycznie, przemiana 5-1), zaś sprężanie i rozprężanie jest adiabatyczne (przemiany odpowiednio 1-2 i 4-5). Praca wykonywana jest podczas izobarycznego doprowadzania ciepła (przemiana 3-4) i adiabatycznego rozprężania (przemiana 4-5). Sprawność termiczna obiegu Sabathé-Seiligera wynosi

)1()1(

111

1 −+−−⋅−= − ϕκαα

αϕε

ηκ

κtS (3)

gdzie : ηtS - sprawność termiczna obiegu Sabathé-Seiligera; ε = (V0 + VS)/VS - geometryczny stopień sprężania; κ - wykładnik izentropy ; ϕ = V4/V3 - stopień obciążenia; α = p3/p2 - stopień izochorycznego wzrostu ciśnienia.

Rys. 3. Obieg Sabathé-Seiligera w układach p-V i T-s.

Sprawność termiczna obiegu Sabathé-Seiligera rośnie ze wzrostem stopnia kompresji ε, stopnia izochorycznego wzrostu ciśnienia α i stosunku ciepeł właściwych κ, natomiast maleje ze stopniem obciążenia ϕ. Gdy dla omawianego obiegu α → 1, to jego sprawność staje się sprawnością obiegu Diesla i uzyskujemy obieg Diesla. Gdy ϕ → 1, to obieg ten staje się obiegiem Otto. Obieg Sabathé-Seiligera jest obiegiem porównawczym dla silników spalinowych tłokowych o zapłonie samoczynnym, wynikającym z wysokiej temperatury powietrza, i wtryskiem paliwa za pomocą pompy wtryskowej [8].

2.3. OBIEG RZECZYWISTEGO SILNIKA SPALINOWEGO W rzeczywistych silnikach spalinowych zachodzą procesy temodynamiczne znacznie odbiegające od wymienionych powyżej teoretycznych obiegów porównawczych. Wykres będący obrazem takiego obiegu uzyskuje się przez indykację silnika we współrzędnych ciśnienie - objętość lub czas ciśnienie. Na rys. 4 przedstawiono obieg rzeczywisty (indykatorowy - linia gruba) oraz naniesiony linią cienką układ współrzędnych p-V i teoretyczny obieg Sabathé-Seiligera 0-1-2-3-4-5-0, najbliższy obiegowi rzeczywistemu.


Str. 5/30

Rys. 4. Wykres indykatorowy tłokowego silnika spalinowego w układzie p-V. Różnice pomiędzy obiegami porównawczymi (teoretycznymi) i obiegami rzeczywistym wynikają z wielu następujących przyczyn : - procesy spalania w rzeczywistości nie mają ani charakteru izochorycznego, ani izobarycznego, lecz przebiegają w sposób skomplikowany, powodujący, że natężenie wydzielania się ciepła i zmiany parametrów termodynamicznych mają inny przebieg od wynikającego z teorii, - ciągły ruch tłoka i czynniki nań wpływające narzucają rzeczywisty charakter przemian odmienny od teoretycznej idealizacji, - proces odprowadzania ciepła nie jest izochoryczny, chociaż nie zachodzi tu reakcja chemiczna, to gwałtowne otwarcie zaworu wylotowego powoduje szybki wypływ gazów z cylindra, a zmiany parametrów termodynamicznych temu towarzyszące nie są izochoryczne, - procesy zasysania świeżej mieszanki i wytłaczania spalin odbywają się przy ciśnieniach różnych od ciśnienia atmosferycznego i różniących się między sobą, - przebieg procesów sprężania i rozprężania w silniku rzeczywistym odbiega od przebiegu izentropowych procesów odwracalnych ze względu na wymianę ciepła między czynnikiem, a ścianką cylindra oraz na występowanie zjawisk nieodwracalnych takich jak tarcie, dyfuzja, czy wtórne reakcje chemiczne. Należy stwierdzić, że rzeczywisty obieg silnika spalinowego jest inny niż obieg teoretyczny i można go otrzymać jedynie przez indykację istniejącego silnika.

2.4. KLASYFIKACJA SILNIKÓW SPALINOWYCH Do klasyfikacji silników spalinowych, poza kryterium teoretycznym jakim jest obieg, wykorzystuje się wiele innych kryteriów mających charakter konstrukcyjny bądź też eksploatacyjny. Ze względu na liczbę suwów tłoka przypadającą na jeden cykl pracy silnika dzielimy je na dwusuwowe (dwa suwy tłoka, czyli jeden obrót wału korbowego na jeden cykl pracy) i czterosuwowe (cztery suwy tłoka , czyli dwa obroty wału korbowego na jeden cykl pracy). Z uwagi na liczbę i układ cylindrów silniki dzieli się na jedno- i wielocylindrowe. Układ geometryczny cylindrów w stosunku do wału korbowego w silnikach wielocylindrowych jest przy tym bardzo zróżnicowany. Mogą one być usytuowane w jednym rzędzie wzdłuż wału (silnik rzędowy), w dwu lub więcej rzędach ułożonych w kształt liter V, W, X, mogą to być silniki z przeciwbieżnymi tłokami, czy też silniki gwiaździste, gdzie cylindry ustawione są promieniowo w płaszczyznie prostopadłej do osi wału. Możliwości różnych konfiguracji jest bardzo dużo. Ze względu na rodzaj paliwa rozróżniamy silniki na paliwo ciekłe i na paliwo gazowe. Silniki mogą być gaźnikowe lub z wtryskiem paliwa w zależności od sposobu wytwarzania mieszanki paliwowo-powietrznej. Rozróżniamy silniki zasysające gotową mieszankę, wytworzoną na zewnątrz silnika, np. w gaźniku, i silniki, w które zasysają z otoczenia powietrze, a mieszanka powstaje wewnątrz silnika, np. przez wtryśnięcie paliwa do cylindra. Zapłon mieszanki paliwowo-powietrznej w silniku można wywołać od czynnika zewnętrznego, np. od iskry elektrycznej przeskakującej (w odpowiednim momencie cyklu) między elektrodami świecy zapłonowej, co realizowane jest w silnikach z zapłonem iskrowym. Zapłon może też nastąpić samoistnie po rozpoczęciu wytwarzania mieszanki w cylindrze i uzyskaniu odpowiednich warunków ciśnienia i temperatury, czyli po rozpoczęciu wtrysku, w silnikach z zapłonem samoczynnym. Silnik może być chłodzony cieczą (np. wodą, glikolem etylenowym, itp.), która omywa cylindry w specjalnych kanałach, przy czym jej ruch może zostać wymuszony przy pomocy pompy lub wynikać z jej naturalnego ruchu konwekcyjnego. Chłodzenie silnika może też odbywać się poprzez strumień powietrza omywający z zewnątrz cylindry, wywołany naturalnym lub wymuszonym ruchem powietrza względem silnika. Ze względu na sposób smarowania silniki dzielimy na silniki z otwartym układem olejowym i silniki z zamkniętym układem olejowym. W pierwszym przypadku, pompa olejowa zasysa olej z miski olejowej znajdującej się pod wałem korbowym i tłoczy go do układu smarującego, z którego spływa on ponownie do miski. W obiegu zamkniętym działają dwie pompy, jedna tłoczy olej do układu smarowania, a druga wysysa gorący olej z układu i wtłacza go do chłodnicy oleju. W misce olejowej nie ma wtedy oleju, czyli mamy tu układ z tzw. suchą miską olejową.


Str.6/30

System regulacji obciążenia umożliwia dopasowanie parametrów pracy silnika, szczególnie prędkości obrotowej, do warunków obciążenia. Regulacją obejmuje się skład i ilość mieszanki paliwowo-powietrznej podawanej do silnika. W silnikach gaźnikowych układem regulacyjnym jest przepustnica gaźnika i związany z nim system automatyki. W silnikach z wtryskiem paliwa regulacja składu mieszanki i jej ilości realizowana jest przez kontrolowanie ilości dostarczanego paliwa oraz ilości zasysanego powietrza. Regulacja może być jedno- lub wielozakresowa, tzn. regulator utrzymuje zawsze takie same stałe obroty silnika, lub przy regulacji wielozakresowej, regulator utrzymuje prędkość obrotową na poziomie nastawionym, np. przez obsługę. Ze względu na układ rozrządu, czyli na system doprowadzenia czynnika roboczego do cylindra i odprowadzenia spalin silniki dzielimy na silniki z rozrządem zaworowym, suwakowym i szczelinowym. Silniki spalinowe, ze względu na rodzaj napędu, dzieli się na trzy podstawowe grupy: 1. Silniki pracujące ze stałą prędkością obrotową niezależną od obciążenia; czyli silniki stosowane do napędu generatorów prądu przemiennego, sprężarek gazowych, statków morskich, niektórych maszyn roboczych, maszyn rolniczych, młynów. 2. Silniki pracujące ze zmienną prędkością obrotową niezależną od obciążenia; zaliczamy tu przede wszystkim silniki trakcyjne do napędu samochodów, lokomotyw spalinowych, sprzętu rolniczego, itp. 3. Silniki pracujące z prędkością obrotową regulowaną w zależności od obciążenia; np. silniki lotnicze współpracujące ze śmigłem o zmiennym skoku lub wirnikiem śmigłowca. Przedstawiona tutaj systematyka silników spalinowych jest pomocna przy wyborze metod pomiarów i przyrządów stosowanych w ich badaniach. Niektóre wielkości mają charakter uniwersalny i mierzy się je niezależnie od rodzaju silnika, są nimi np. wszystkie parametry niezbędne do sporządzenia charakterystyk ogólnych. Wolnobieżne silniki dużej mocy, przeznaczone do napędu statków potrzebują innych stanowisk badawczych niż małe silniki motocyklowe. Mimo to stanowisko badawcze dla grupy silników o podobnych własnościach powinno charakteryzować się pewną uniwersalnością pomiarową i oprzyrządowania.

2.5. CHARAKTERYSTYKI SILNIKA

Charakterystyką silnika nazywa się graficzne przedstawienie (wykres) wzajemnej zależności między podstawowymi wielkościami charakteryzującymi pracę silnika, takimi jak : moc użyteczna, moment obrotowy, średnie ciśnienie użyteczne, jednostkowe zużycie paliwa i prędkość obrotowa lub też zależność tych parametrów od wielkości charakteryzujących regulacje układu zasilania i układu zapłonowego silnika. Oprócz parametrów podstawowych na wykresach tych mogą być naniesione również, zależnie od potrzeb, godzinowe zużycie paliwa, temperatura spalin, współczynnik składu mieszanki i inne. Niektóre z tych zależności można określić teoretycznie otrzymując charakterystykę teoretyczną, którą można następnie porównać z odpowiednią charakterystyką uzyskaną na drodze eksperymentu, co może stanowić podstawę do ulepszeń konstrukcji silnika. Zależnie od tego, które parametry przyjmuje się jako zmienne niezależne, wykonuje się następujące charakterystyki: • prędkościowe (w funkcji prędkości obrotowej wału korbowego silnika), • obciążeniowe (w funkcji obciążenia silnika). • regulacyjne ( funkcji parametrów charakteryzujących regulację silnika), • ogólne. Wszystkie omawiane dalej charakterystyki silnika dotyczą warunków ustalonych jego pracy. Oznacza to, że w czasie wykonywania pomiarów wszystkie parametry mierzone charakteryzujące jego pracę, takie jak: prędkość obrotowa, moment obrotowy, skład mieszanki (względnie dawka paliwa), kąt wyprzedzenia zapłonu i inne, zachowują wartości niezmienne w czasie (stałe). Poza tym stan cieplny silnika nie może ulegać zmianom, czyli temperatura wody chłodzącej wypływającej z głowicy silnika musi być stała, niezmienna musi być średnia temperatura spalin i średnia temperatura gniazd świec zapłonowych, a także temperatura oleju w misce olejowej.

2.5.1. CHARAKTERYSTYKI PR ĘDKOŚCIOWE Charakterystyka prędkościowa przedstawia zależność mocy użytecznej Nu , momentu obrotowego Mo i jednostkowego zużycia paliwa gu od prędkości obrotowej wału silnika n . Niekiedy nanosi się ponadto na wykres charakterystyki prędkościowej takie wielkości jak : krzywe godzinowego zużycia paliwa Gu , temperatury spalin Ts , średniego ciśnienia użytecznego pu i ewentualnie inne. Najpopularniejsze z tej grupy są tzw. charakterystyki zewnętrzne, sporządzane dla silników pracujących w zmiennych warunkach obciążenia i przy zmiennej prędkości obrotowej. Są to charakterystyki :

Nu = f (n) , Mo = f (n) , gu = f (n) , Gu = f (n) , pu = f (n) ,

gdzie gu = Gu/Nu.

Charakterystyki te zdejmowane są przy maksymalnym otwarciu przepustnicy gaźnika lub maksymalnej dawce wtryskiwanego paliwa. Przez maksymalne rozumie się takie położenie organów regulacyjnych, przy którym silnik może pracować bez szkody dla jego elementów. Podobne wykresy można uzyskać przy mniejszym otwarciu przepustnicy, np.


Str. 7/30

3/4 lub 1/2 otwarcia, otrzymując tzw. charakterystyki częściowe (dławione). Na rys. 5 przedstawiono takie przykładowe charakterystyki prędkościowe silnika z zapłonem iskrowym, zwane inaczej charakterystykami dynamicznymi.

Rys. 5. Charakterystyki dynamiczne silnika z zapłonem iskrowym 1 - przy pełnym otwarciu przepustnicy; 2, 3, 4 - charakterystyki częściowych otwarć przepustnicy (tzw. charakterystyki dławione)

Charakterystyczne prędkości obrotowe wału korbowego silnika spalinowego przyjęto oznaczać się w następujący sposób (patrz rys. 6): nmin - minimalna prędkość obrotowa, przy której silnik pracuje prawidłowo, nM - prędkość obrotowa, przy której silnik osiąga maksymalny moment obrotowy, ng- prędkość obrotowa, przy której jednostkowe zużycie paliwa przez silnik jest najmniejsze, nN- prędkość obrotowa, przy której silnik osiąga maksimum mocy użytecznej, ndop - największa dopuszczalna prędkość obrotowa, nmax - prędkość obrotowa, przy której użyteczna moc silnika równa jest zeru.

Rys. 6. Schemat oznaczeń na charakterystyce prędkościowej

2.5.2. CHARAKTERYSTYKI OBCI ĄŻENIOWE Charakterystyka obciążeniowa przedstawia graficznie zależność godzinowego i jednostkowego zużycia paliwa od momentu obrotowego, średniego ciśnienia użytecznego lub mocy użytecznej przy stałej prędkości obrotowej. Charakterystyki takie pokazano w sposób schematyczny na rys. 7. Kolejne wartości prędkości obrotowej dają kolejne charakterystyki tworzące rodzinę krzywych. Takie wykresy pozwalają na porównanie silników o podobnych cechach konstrukcyjnych, ale różnej mocy i o różnej liczbie cylindrów.


Str.8/30

Rys. 7. Charakterystyka obciążeniowa silnika gaźnikowego. Średnie ciśnienie użyteczne pu liczymy z następującego wzoru

inV

Np

s

uu ⋅⋅

⋅⋅=

τ1000 (4)

gdzie : pu - średnie ciśnienie użyteczne, Pa; Nu - moc użyteczna, kW; Vs - objętość suwowa jednego cylindra, m3;

n - prędkość obrotowa silnika, s-1; τ - liczba obrotów wału korbowego na jeden suw pracy (τ = 1 - silniki dwusuwowe, τ = 2 - silniki czterosuwowe); i - liczba cylindrów.

W celu otrzymania takiej charakterystyki wykonuje się pomiary godzinowego zużycia paliwa i momentu obrotowego przy różnych położeniach elementów regulujących dopływ paliwa i przy stałej prędkości obrotowej. Dla silników z zasilaniem gaźnikowym charakterystyka ta nosi nazwę przesłonowej.

2.5.3. CHARAKTERYSTYKI REGULACYJNE Są to charakterystyki przedstawiające zależność podstawowych parametrów pracy silnika od nastawienia parametrów regulacji układu zapłonowego i zasilania. Charakteryzują one zużycie jednostkowe paliwa i moc użyteczną silnika w funkcji zużycia godzinowego. W związku rozróżnia się: • charakterystykę regulacyjną rozrządu, • charakterystykę regulacyjną kąta wyprzedzenia zapłonu, • charakterystykę regulacyjną składu mieszanki. Przykładowo, charakterystyka regulacyjna składu mieszanki (rys. 8) przedstawia zależność mocy użytecznej Nu (ewentualnie Mo lub pu) i jednostkowego zużycia paliwa ge od godzinowego zużycia paliwa Gu dla stałej prędkości obrotowej, optymalnego kąta wyprzedzenia zapłonu i stałego otwarcia przepustnicy gaźnika.

Rys. 8. Schemat charakterystyki regulacyjnej składu mieszanki

Na wykresie charakterystyki, pokazanym na rys. 8, występują dwa punkty szczególne, a mianowicie A - odpowiadający gu min i B - odpowiadający Nu max. Wynika z tego, że punkt regulacji na moc maksymalną i punkt regulacji na tzw. regulację ekonomiczną, nie pokrywają się.

2.5.4. CHARAKTERYSTYKA OGÓLNA Jest to charakterystyka, zwana także warstwicową, przedstawiająca w sposób parametryczny ciśnienia użyteczne, moment obrotowy, moc użyteczną i jednostkowe zużycie paliwa - w funkcji prędkości obrotowej. Na rys. 9 przedstawiono przykład takiej charakterystyki dla silnika z zapłonem samoczynnym.


Str. 9/30

Rys. 9. Charakterystyka ogólna silnika z zapłonem samoczynnym

2.6. BILANS ENERGETYCZNY SILNIKA SPALINOWEGO

Bilans energetyczny silnika spalinowego jest algebraiczną sumą energii doprowadzonej do silnika i energii odprowadzonej. Są to wartości tych rodzajów energii, które biorą udział w procesie zamiany energii zawartej w paliwie (energii chemicznej paliwa) na pracę użyteczną silnika. Aby określić poszczególne składniki bilansu, należy zmierzyć te parametry, które są potrzebne do ich obliczenia. Jednak w praktyce nie jest możliwe wykonanie takich pomiarów, w oparciu o które można by obliczyć lub ustalić w inny sposób wszystkie pozycje bilansu. W związku z tym, pewne wielkości występujące w bilansie przyjmuje się umownie, np. jako dopełnienie do 100%. Bilans energetyczny silnika spalinowego składa się w zasadzie z trzech głównych pozycji, a mianowicie: • ciepło doprowadzone z paliwem, • praca użyteczna, • straty: wewnętrzna, niezupełnego spalania, wylotowa, mechaniczna, tarcia i napędów pomocniczych, chłodzenia i

inne. Cały bilans można odnieść do jednostki czasu, czyli podzielić wszystkie pozycje występujące w bilansie przez czas wykonania bilansu. Uzyskamy wówczas bilans strumieni energii, a jeżeli czas pomiaru dąży do zera to będzie to bilans mocy. Najczęściej jednak bilans odnosi się do energii doprowadzonej z paliwem, którą przyjmuje się za 100%, wyrażając następnie poszczególne pozycje bilansu jako procentowe składniki. Wówczas stosunek pracy użytecznej do ciepła doprowadzonego daje sprawność ogólną silnika. Bilans energetyczny silników pojazdów mechanicznych, które pracują przy zmiennym obciążeniu i zmiennej prędkości obrotowej, wykonuje się w ten sposób, że ustala się prędkość obrotową, a potem przy stałym obciążeniu wykonuje się pomiary. Zmieniając obciążenia, ciągle przy stałej prędkości obrotowej, wykonuje się kolejne pomiary, co pozwala zestawić serię bilansów dla jednej prędkości obrotowej. Wykonując następnie podobne serie pomiarowe dla innych prędkości obrotowych, można zestawić bilanse energetyczne silnika dla całego zakresu zmian prędkości i obciążenia. Umożliwia to wybranie optymalnych warunków pracy silnika oraz określenie wielkości strat energetycznych, a przez porównanie z analogicznymi wielkościami innych silników, ustalenie sposobów zmniejszenia tych strat. Zasadnicze zestawienie bilansowe można przedstawić równaniem:

∑+= SQQ u&&

0 (5)

lub

∑+++++= strmCOodlchlu SSSSSQQ &&0 (6)

gdzie : 0Q& - strumień energii cieplnej dostarczonej z paliwem, kW,

uQ& - strumień energii użytecznej, moc użyteczna, zmierzona, kW,

∑S - suma strat, kW,

Schl - strumień cieplny chłodzenia, strata chłodzenia, kW, Sodl - strumień cieplny odprowadzonych spalin, strata odlotowa, kW, SCO - strumień cieplny niezupełnego spalania, strata niezupełnego spalania, kW, Sm - strumień strat mechanicznych, straty mechaniczne, kW,

∑ strS - inne straty, kW.


Str.10/30

Moc cieplną uzyskiwaną ze spalenia paliwa, czyli strumień ciepła dostarczony przez paliwo, obliczamy ze wzoru:

36000wu QG

Q⋅

=& (7)

gdzie : Gu - godzinowe zużycie paliwa, kg/h,

Qw - wartość opałowa paliwa, kJ/kg. Pomiar mocy użytecznej, czyli użytecznego strumienia ciepła, jest wykonywany na stanowiskach badawczych zwanych hamowniami za pomocą hamulca obciążeniowego. Hamulcem obciążeniowym mierzy się właściwie moment obrotowy, a do określenia mocy użytecznej trzeba wykonać również pomiar prędkości obrotowej. Moc użyteczną liczymy z zależności

K⋅⋅== nPNQ uu& (8)

gdzie : Nu - moc użyteczna, kW, P - siła zmierzona na hamulcu, N, n - prędkość obrotowa silnika, s-1, K - stała hamulca, wielkość charakterystyczna dla danego hamulca, m. Stratę chłodzenia, czyli strumień ciepła unoszony przez czynnik chłodzący (np. powietrze lub wodę), oblicza się na podstawie pomiarów temperatury chłodziwa i strumienia jego masy przepływającego przez układ chłodzenia z zależności

)( 12 wwwwchl TTcmS −⋅⋅= & (9)

gdzie : wm& - strumień masy płynu chłodzącego, kg/s,

cw - średnie ciepło właściwe płynu chłodzącego, kJ/kg·K, Tw1 - temperatura płynu dopływającego do układu chłodzenia, K, Tw2 - temperatura płynu wypływającego z układu chłodzenia, K. Strata odlotowa zwana też stratą wylotową fizyczną - ∆Ewf spowodowana jest tym, że temperatura produktów reakcji spalania Ts jest wyższa od temperatury otoczenia Tot , a więc spaliny odprowadzają ze sobą strumień ciepła większy od strumienia ciepła teoretycznie koniecznego do odprowadzenia. Stratę odlotową oblicza się mnożąc masy poszczególnych składników spalin przez ich ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu, sumuje te wartości i mnoży przez różnicę temperatur, np.[8]

))(( OH"

OHCO"COCO

"COO

"ON

"N 22222222 otspppppwfodl TTcmcmcmcmcmES −⋅+⋅+⋅+⋅+⋅=∆= (10)

gdzie: Ts - temperatura produktów spalania (spalin), K, Tot - temperatura otoczenia, K,

m″i - masa i-tego składnika spalin, kg i-tego składnika/kg paliwa,

cp i - ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu i-tego składnika [10], kJ/kg K, (patrz Tablica 1). W praktyce często wygodnie jest wprowadzić do takiego wzoru entalpię molową poszczególnych składników spalin i ich udziały molowe. Wartości entalpii molowych znajdujemy w tablicach (patrz Tablica 2). Wzór na stratę odlotową przyjmuje wtedy postać


Str. 11/30

Tablica 1. Ciepło właściwe cp wybranych gazów [10].

Temperatura O2 H2 NO H2O N2 CO CO2 N2O CH4

t T

Powietrze

suche

°C K kJ/kg K

0 273,15 0,9148 14,1949 0,9990 1,8594 1,0392 1,0036 1,0396 0,8148 0,8508 2,1654

100 373,15 0,9337 14,4482 0,9969 1,8903 1,0421 1,0103 1,0446 0,9136 0,9500 2,4484

200 473,15 0,9630 14,5043 1,0107 1,9406 1,0517 1,0245 1,0584 0,9927 1,0283 2,8068

300 573,15 0,9948 14,5332 1,0350 2,0005 1,0693 1,0446 1,0802 1,0567 1,0932 3,1753

400 673,15 1,0237 14,5809 1,0609 2,0645 1,0915 1,0685 1,1057 1,1103 1,1472 3,5295

500 773,15 1,0484 14,6622 1,0861 2,1319 1,1154 1,0923 1,1321 1,1547 1,1928 3,8560

600 873,15 1,0689 14,7786 1,1087 2,2014 1,1392 1,1149 1,1568 1,1920 1,2313 4,1529

700 973,15 1,0856 14,9301 1,1283 2,2730 1,1614 1,1355 1,1790 1,2230 1,2632 4,4213

800 1073,15 1,0999 15,1148 1,1455 2,3450 1,1815 1,1539 1,1987 1,2493 1,2912 4,6595

900 1173,15 1,1120 15,3120 1,1597 2,4154 1,1991 1,1702 1,2158 1,2715 1,3151 4,8726

1000 1273,15 1,1229 15,5175 1,1719 2,4824 1,2150 1,1844 1,2305 1,2900 1,3352 5,0614

Tablica 2. Wartości entalpii molowej (Mh), liczonej od temperatury 20°C, dla poszczególnych składników spalin

( )Mh ⋅ −10 3kJ / kmol temperatura

°C powietrze

suche M = 29 kg/kmol

azot N2

M = 28 kg/kmol

tlen O2

M = 32 kg/kmol

tlenek węgla CO

M = 28 kg/kmol

dwutlenek węgla CO2

M = 44 kg/kmol

wodór H2

M = 2 kg/kmol

metan CH4

M = 16 kg/kmol

woda H2O

M = 18 kg/kmol

0 -0,58 -0,58 -0,59 -0,58 -0,75 -0,57 -0,77 -0,67 20 0 0 0 0 0 0 0 0 50 0,87 0,87 0,89 0,88 1,12 0,86 1,15 1,00 100 2,32 2,33 2,36 2,34 2,99 2,29 3,06 2,68 150 3,78 3,80 3,88 3,83 5,13 3,75 5,08 4,50 200 5,24 5,26 5,39 5,30 7,26 5,20 7,09 6,84 250 6,73 6,75 6,96 6,82 9,51 6,69 9,49 8,64 300 8,22 8,23 8,53 8,34 11,76 8,18 11,88 10,44 350 9,73 9,74 10,15 9,89 14,15 9,60 14,57 12,24 400 11,24 11,24 11,76 11,44 16,54 11,02 17,25 14,04 450 12,79 12,78 13,42 13,04 19,03 12,48 20,22 16,02 500 14,35 14,32 15,07 14,64 21,51 13,94 23,18 18,00 550 15,94 15,91 16,78 16,24 24,10 15,42 26,36 19,81 600 17,53 17,50 18,48 17,84 26,68 16,89 29,53 21,61 650 19,16 19,11 20,20 19,55 29,36 18,38 32,97 23,68 700 20,79 20,72 21,92 21,26 32,03 19,86 36,40 25,74 750 22,43 22,36 23,66 22,92 34,72 21,35 39,76 27,90 800 24,07 24,00 25,39 24,57 37,40 22,83 43,12 30,06 850 25,75 25,68 27,15 26,29 40,20 24,35 47,35 32,39 900 27,44 27,36 28,91 28,00 42,99 25,87 51,58 34,72 950 29,12 29,04 30,71 29,76 45,83 27,42 55,59 36,85 1000 30,81 30,72 32,50 31,51 48,66 28,96 59,60 38,98

Przykład : entalpia molowa tlenu w temperaturze 700°C wynosi: ( ) kJ/kmol1021,92 3O2

⋅=Mh

stąd entalpia właściwa wynosi: kJ/kg32

1092,21 3

O2

⋅=h


Str.12/30

[ ] ( ) [ ] ( ) [ ] ( ) [ ] ( ){ }( ) OHOH

CO2COO2N2

22

222

3600

COCOON3600

MhnG

MhMhMhMhnG

S

u

ssssssu

odl

⋅⋅+

+⋅+⋅+⋅+⋅⋅= (11)

gdzie : Gu - godzinowe zużycie paliwa, kg/h, nss - jednostkowa ilość spalin suchych, kmol/kg paliwa, nH O2

- jednostkowa ilość pary wodnej w spalinach, kmol/kg paliwa,

[N2]s, [O2]s, [CO]s, [CO2]s - udziały molowe składników w spalinach suchych, (Mh)i - entalpia molowa składnika spalin liczona od temperatury otoczenia, kJ/kmol. Znając masowy udział węgla w paliwie C i masowy udział palnego wodoru w paliwie H (wyrażane w kg/kg paliwa) można obliczyć jednostkową ilość spalin suchych nss i jednostkową ilość wody nH O2

w spalinach mokrych.

Jednostkowa ilość spalin mokrych wynosi

OH2nnn sss += (12)

gdzie: ns - jednostkowa ilość spalin mokrych, kmol/kg paliwa, nss - jednostkowa ilość spalin suchych, kmol/kg paliwa, nH O2

- jednostkowa ilość pary wodnej w spalinach, kmol/kg paliwa.

Pomiar składu spalin uproszczonym aparatem Orsata pozwala na uzyskanie zawartości w spalinach suchych dwutlenku węgla [CO2]s i tlenu [O2]s . Wtedy z wykresu Ostwalda dla danego paliwa można odczytać zawartość tlenku węgla w spalinach suchych [CO]s i wtedy

[N2]s = 1 - ( [CO2]s + [O2]s + [CO]s ) (13)

[ ] [ ]ssss

Cn

COCO

1

12 2 +⋅= (14)

2OH2

Hn = (15)

gdzie: C, H - udziały masowe w paliwie, odpowiednio węgla i wodoru w kg/kg paliwa. Strata niezupełnego spalania (strumień cieplny niezupełnego spalania), zwana też chemiczną wylotową stratą energii, wynika z faktu, że spaliny zawierają gazy palne. Stratę tę oblicza się jako iloczyn danego składnika palnego przez jego wartość opałową, a następnie sumuje się te iloczyny dla wszystkich składników palnych spalin. Zazwyczaj zawartości w spalinach metanu CH4 i wodoru H2 są znikome i wystarczy uwzględnić jedynie obecność tlenku węgla CO. W odniesieniu do jednostki ilości paliwa otrzymuje się wzór

COsCO )(CO][3600 wss

u MQnG

S ⋅⋅⋅= (16)

gdzie: Gu - godzinowe zużycie paliwa, kg/h, nss - jednostkowa ilość spalin suchych, kmol/kg paliwa, [CO]s - udział molowy składnika - tlenku węgla - w spalinach suchych, (MQw)CO - molowe ciepło spalania tlenku węgla CO, kJ/kmol, (MQw)CO = 28.300 kJ/kmol. Straty mechaniczne (strumień strat mechanicznych) wynikają z konieczności pokonania oporów tarcia w mechanizmach silnika oraz konieczności napędu mechanizmów pomocniczych, takich jak: mechanizm rozrządu, pompa zasilająca, wodna i olejowa, wentylator, prądnica, itp. Straty te można obliczyc jako różnicę między mocą indykowaną i mocą użyteczną

uim NNS −= (17)

τinVp

N⋅⋅⋅

= sii (18)

gdzie: Sm - strumień strat mechanicznych, kW, Ni - moc indykowana silnika, kW, Nu - moc użyteczna, kW, pi - średnie ciśnienie indykowane, kPa, Vs - objętość suwowa jednego cylindra, m3, n - prędkość obrotowa

silnika, s-1, τ - liczba obrotów wału korbowego na jeden suw pracy (τ = 1 - silniki dwusuwowe, τ = 2 - silniki czterosuwowe), i - liczba cylindrów.


Str. 13/30

Średnie ciśnienie indykowane wyznacza się przez planimetrowanie wykresu indykatorowego i oblicza ze wzoru

µ⋅=

l

Api (19)

gdzie: A - pole powierzchni wykresu indykatorowego, mm2, l - długość podstawy wykresu, mm, µ - podziałka wykresu, mm/kPa. Równanie bilansowe (6) można również przedstawić w innej postaci, odnosząc wszystkie składniki bilansu do energii doprowadzonej z paliwem, wyrażając następnie poszczególne pozycje bilansu jako procentowe składniki. Wówczas stosunek pracy użytecznej do ciepła doprowadzonego daje sprawność ogólną silnika.

%100%100stmCOodlchlu =⋅

Σ+++++

oooooo Q

S

Q

S

Q

S

Q

S

Q

S

Q

Q&&&&&&

&

(20)

2.7. WSKAŹNIKI I PARAMETRY PRACY SILNIKA SPALINOWEGO

Moment obrotowy silnika spalinowego, Mo, jest średnią wartością momentu obrotowego przenoszonego z wału korbowego silnika do odbiornika w czasie jednego cyklu pracy. Wyrażany jest w Nm, J lub kJ. Średni użyteczny moment obrotowy oblicza się z zależności

n

NNM uu

o ⋅==

πω 2 (21)

ussu

o piV

n

inVpM ⋅

⋅⋅

=⋅⋅

⋅⋅⋅=

τπτπ 22 (22)

gdzie: Nu - moc użyteczna, kW, pu - średnie ciśnienie użyteczne, kPa, Vs - objętość suwowa jednego cylindra, m3, n - prędkość obrotowa silnika, s-1, τ - liczba obrotów wału korbowego na jeden suw pracy (τ = 1 - silniki dwusuwowe, τ = 2 - silniki czterosuwowe), i - liczba cylindrów. Średnie ciśnienie użyteczne, pu , charakteryzuje rzeczywistą zdolność silnika do wykonania pracy użytecznej i wynosi

imu pp ⋅= η (23)

gdzie: pi - średnie ciśnienie indykowane, kPa, ηm - sprawność mechaniczna silnika. Łatwo zauważyć, że dla danego silnika, gdy Vs i τ są stałe, moment obrotowy silnika jest wprost proporcjonalny do średniego ciśnienia użytecznego, a więc i zmiany momentu zależą od średniego ciśnienia użytecznego. Rozróżnia się pojęcia momentu obrotowego znamionowego rozwijanego przez silnik przy mocy znamionowej i znamionowej prędkości obrotowej oraz momentu obrotowego maksymalnego, czyli największego momentu obrotowego rozwijanego przez silnik występującego zwykle przy prędkościach obrotowych znacznie niższych od prędkości znamionowej silnika. Jednostkowe zużycie paliwa, gu , jest to ilość zużywanego przez silnik paliwa w jednostce czasu, przypadająca na jednostkę mocy i wyrażane jest w g/kWh lub kg/kWh.

u

uu N

Gg = (24)

gdzie: Gu - godzinowe zużycie paliwa, g/h lub kg/h, Nu - moc użyteczna, kW. Godzinowe zużycie paliwa, Gu , określa masę paliwa zużytego w jednostce czasu i jest wyrażane w kg/h.

tpalρ⋅

=V

Gu (25)

gdzie: V - objętość pomiarowej dozy paliwa, m3, ρpal - gęstość paliwa, kg/m3, t - czas zużycia dozy pomiarowej, h. Sprawność teoretyczna, ηt, zwana też sprawnością termiczną obiegu porównawczego Otto, wyraża się wzorem podanym już wcześniej (1)


Str.14/30

1tOt1

1−

−== κεηη (26)

gdzie: ηtO - sprawność termiczna obiegu Otto; ε = (V0 + VS)/VS - geometryczny stopień sprężania; κ - wykładnik izentropy. Jednak w rzeczywistości sprawność teoretyczna jest funkcją współczynnika nadmiaru powietrza λ (zmienne κ , zależne od składu spalin). W praktyce, a zakresie tych współczynników λ, przy których pracuje silnik, sprawność teoretyczna jest bliska sprawności maksymalnej, patrz rys. 10.

Rys. 10. Wykres zależności sprawności teoretycznej ηt od współczynnika nadmiaru powietrza λ.

Moc teoretyczna, Nt , jest mocą, którą uzyskiwałby silnik, gdyby realizował teoretyczny obieg porównawczy silnika spalinowego z zapłonem iskrowym.

wpalt0tt QmQN ⋅⋅=⋅= && ηη (27)

gdzie: &Q0 - moc cieplną uzyskiwaną ze spalenia paliwa, czyli strumień ciepła dostarczony przez paliwo,

&mpal - masa paliwa zużyta w jednostce czasu, kg/s,

Qw - wartość opałowa paliwa, kJ/kg. Sprawność indykowana, ηi , jest stosunkiem mocy indykowanej Ni do mocy teoretycznej Nt

ot

i

t

ii N Q

NN&⋅

==η

η (28)

Sprawność mechaniczna, ηm , jest miarą strat mechanicznych spowodowanych tarciem i napędem urządzeń pomocniczych

i

um N

N=η (29)

Sprawność ogólna, ηo , jest miarą wykorzystania energii zawartej w paliwie. Wyraża ją stosunek mocy użytecznej do energii doprowadzonej do silnika

o

utmio

Q

N&

=⋅⋅= ηηηη (30)

3. TYPOWA APARATURA POMIAROWA Pomiar mocy użytecznej silników stanowi zasadniczy element w ocenie ich działania i przy sporządzaniu bilansów cieplnych. Pomiary te są w zasadzie proste i wykazują znaczną dokładność. Znane są dwie podstawowe metody wykonania pomiarów mocu użytecznej. Pierwsza z nich polega na przekształceniu wytworzonej przez silnik pracy mechanicznej na inny rodzaj energii stosunkowo łatwy do zmierzenia. Druga metoda opiera się na pomiarze momentu obrotowego powstajacego na wale silnika. Podstawą drugiej metody jest zależność między mocą i momentem obrotowym przy danej prędkości obrotowej. Jeżeli moc silnika potraktujemy jako wielkość niezmienną w czasie, to można przejść od mocy chwilowej

t

LN

d

d=& (31)

tj. różniczki pracy względem czasu, do wartości mocy uśrednionej definiowanej jako ilość pracy wykonanej przez silnik w jednostce czasu. Jeżeli siła P (rys. 11) działa na obwodzie koła o promieniu r, obracającego się z prędkością kątową ω


Str. 15/30

[rad/s], to można stwierdzić, że przy obrocie o 1 radian wykonana zostanie praca Pr, a w ciągu 1 sekundy ω razy więcej, tj.

ω⋅⋅= rPN (32)

Rys. 11. Praca siły P na obwodzie koła o promieniu r i prędkości kątowej ω. Ponieważ iloczyn Pr równy jest momentowi obrotowemu M

rPM ⋅= (33) to mamy

ω⋅= MN (34) gdzie: M - moment obrotowy, Nm/rad, ω - prędkość kątowa, rad/s. Widać stąd, że w celu określenia mocy wywiązanej przez badany silnik należy znać moment panujący na wale silnika oraz prędkość kątową wału. Za pomocą wzoru (34) moc można określić wtedy, gdy znany jest moment obrotowy M i prędkość kątowa ω, przy której został on zmierzony. Wystarczy badany silnik obciążyć w pewien sposób, zapewniając jednocześnie możliwość jednoczesnego pomiaru momentu obrotowego i prędkości kątowej wału. Do wywołania obciążenia silnika używa się specjalnych hamulców.

3.1. HAMULCE SILNIKOWE Podstawowym urządzeniem, w które musi być wyposażone stanowisko do badań silnika jest hamulec obciążeniowy do pomiaru mocy. Powinien on spełniać następujące wymagania: • obciążać badany silnik momentem oporowym, czyli zrównoważyć moment silnika, • umożliwiać odprowadzenie wytworzonego przez silnik ciepła lub energii w innej postaci, • umożliwiać nastawienie i utrzymanie stałej prędkości obrotowej silnika, • zapewnić pomiar momentu obrotowego na wale silnika, • zapewnić szybką zmianę obciążenia i szybkie osiąganie stanu równowagi, • umożliwi ć ciągłą pracę, • zapewnić możliwie największą dokładność odczytów wielkości siły i prędkości obrotowej. Ze względu na przedstawione tu wymagania i różnice w programach badań różnych silników powstały odmienne rozwiązania hamulców obciążeniowych.

Z uwagi na sposób wywoływania obciążenia można je podzielić na hamulce: - mechaniczne, - powietrzne, - hydrauliczne (wodne), - elektryczne, - elektrowirowe, - urządzenia specjalne. Hamulce mechaniczne należą do najstarszych urządzeń do badania mocy silników. Ze względu na rodzaj konstrukcji rozróżnia się hamulce mechaniczne klockowe, zwane hamulcami Prony’ego, taśmowe i linowe. Dla wszystkich wymienionych typów wspólna jest zasada działania polegająca na zamianie wytwarzanej przez silnik mocy na ciepło tarcia, przylegających do siebie elementów. Wadą tych urządzeń jest ich szybkie nagrzewanie się, co utrudnia zastosowanie do silników dużej mocy i uniemożliwia długotrwałą pracę [2, 4, 5]. Hamulce powietrzne działają na zasadzie pośredniego pomiaru reakcyjnego momentu obrotowego silnika umieszczonego wahliwie w specjalnej obudowie i napędzającego śmigło lub odpowiednio ukształtowane łopatki [2, 4, 5]. Hamulce hydrauliczne są obecnie bardzo często wykorzystywane w badaniach silników. Istnieją różne rozwiązania konstrukcyjne tych urządzeń, ale ich wspólną cechą jest to, że moment hamujący jest wywoływany na skutek tarcia o wodę specjalnie ukształtowanego elementu wirującego, zaś praca silnika zamieniona zostaje na ciepło odprowadzane przez wodę. Hamulce tego typu można ogólnie podzielić na następujące trzy grupy: • hamulce niecałkowicie napełnione (z pierścieniem wodnym), • hamulce całkowicie napełnione, • hamulce przepływowe. Przedstawicielem grupy hamulców niecałkowicie napełnionych jest hamulec palcowy, często zwany hamulcem Junkersa. Badany silnik poprzez sprzęgło napędza wał hamulca, na którym osadzony jest wirnik z palcami o


Str.16/30

kwadratowym przekroju poprzecznym. Wał obraca się w łożyskach umieszczonych w pokrywach obudowy mającej podobne palce jak wirnik. Obudowa hamulca zawieszona jest wahliwie. Obracający się wirnik z umieszczonymi na nim rzędami palców rozrzuca wodę na obudowę, przez co tworzy się pierścień o grubości zależnej od ilości wody dopływającej i odpływającej. Wielkość obciążenia wywoływanego przez hamulec zależy od grubości tego pierścienia wodnego. Obudowa dąży do obrotu czemu przeszkadza cięgno połączone z wahliwą dźwignią.

Rys. 12. Łopatkowy hamulec wodny typu Frouda.

1 - wirnik z łopatkami; 2 - obudowa; 3 - łopatki obudowy; 4 - przesłony regulacyjne; 5 - stojaki hamulca; 6 - śruby regulacyjne. Typowym przedstawicielem grupy hamulców całkowicie napełnionych wodą jest hamulec łopatkowy typu Frouda, pokazany na rys. 12. Na wale hamulca osadzono wirnik mający po obu stronach eliptyczne skośne łopatki rozmieszczone symetrycznie (rys. 13). W obu połówkach obudowy (rys.14) umieszczone są takie same nieruchome wieńce łopatkowe, przy czym odległość od wirnika wynosi tylko kilka milimetrów. Do wnętrza obudowy doprowadzana jest woda wypełniająca całkowicie hamulec. Dopływająca do wnętrza woda zostaje zawirowana przez łopatki wirnika i skierowana na przeciwnie ustawione łopatki w obudowie, tworząc połączenie hydrauliczne wirnika i obudowy. Efektem zewnętrznym tego jest moment obrotowy usiłujący wychylić wahliwie zawieszoną obudowę hamulca. Łopatki wirnika i wieńca są nachylone względem siebie tak, aby opór stawiany przez wodę obracającemu się wirnikowi był największy. Opór ten można regulować dzięki gładkim przesłonom wsuwanym między wirnik i wieńce łopatkowe obudowy (patrz rys. 13 i rys. 15). Największy opór odpowiada całkowitemu odsłonięciu czynnych powierzchni, najmniejszy zaś opór powstaje przy całkowitym przesłonięciu.

Rys. 13. Wirnik i przesłony regulacyjne hamulca hydraulicznego typu Frouda.

Rys. 14. Połówki obudowy hamulca hydraulicznego typu Frouda.


Str. 17/30

Rys. 15. Nowy układ regulacji przesłon. 1 - wirnik; 2 - wał; 3 - przesłona zaklinowana na wałku; 4 - przesłona zaklinowana na tulei; 6 - tuleja.

Woda wypełniająca kadłub hamulca stwarza opór hydrodynamiczny, który przenosi się w postaci momentu oporowego na kadłub hamulca. Na ramieniu hamulca powstaje siła P, która przez popychacz przenosi się na układ dźwigni działających na mechanizm dynamometru. Na wyskalowanej tarczy dynamometru pojawia się wskazanie siły P w kG. Jednocześnie mierzy się obroty wirnika hamulca. Te dwie wielkości oraz znana długość ramienia L w metrach (patrz rys. 16), umożliwiają obliczenie chwilowej mocy użytecznej zgodnie z zależnością (8). Korzystając z praw hydromechaniki można wykazać, że moc użyteczna Nu (na wale) hamulca wodnego jest proporcjonalna do prędkości obrotowej w trzeciej potędze

31u nKN ⋅= (35)

gdzie K1 jest współczynnikiem proporcjonalności charakteryzującym stopień wypełnienia hamulca wodą, gęstość oraz lepkość wody, wpływ kształtu i wymiarów elementów wirujących wytwarzających ciepło tarcia.

Rys. 16. Schemat pomiaru momentu oporowego hamulca przy użyciu wagi

Rys. 17. Charakterystyka hamulca hydraulicznego W rzeczywistości krzywa hydrauliczna hamulca (czyli linia O-C-B na rys. 17) jest tylko fragmentem jego charakterystyki. Ograniczenie wynikające z dopuszczalnej wartości siły obciążającej układ dynamometru Pmax powoduje, że moc użyteczną hamulca można wyrazić zależnością

nCN ⋅=u (36)

Na wykresie jest to prosta przechodząca przez początek układu współrzędnych, czyli linia O-C-D na rys. 17. Moc hamowania jest ograniczona do wartości Nu max ze względu na dopuszczalny przyrost temperatury wody przepływającej przez hamulec. Dla założonego przyrostu temperatury wody ∆T = constans i maksymalnego strumienia masy wody &mmax moc hamowania

TcmN ∆⋅⋅= maxmaxu & (37)

i nie zależy od prędkości obrotowej (linia D-E na rys. 17). Uwzględniając dokładność wyważenia wirnika hamulca i występujące siły odśrodkowe, konieczne jest ograniczenie maksymalnej prędkości obrotowej. Ograniczenie to obrazuje na rysunku charakterystyki hamulca odcinek E-G. Ostatnie ograniczenie linią O-G powstaje stąd, że nawet w przypadku zupełnego opróżnienia hamulca z wody, jego opór nie znika całkowicie ( tarcie wirujących elementów o powietrze oraz


Str.18/30

opory tarcia wału w dławnicach i łożyskach). Linia O-G jest wykresem minimalnej mocy hamowania przy pracy hamulca „na sucho”. Pole zakreskowane na rys. 17 jest obszarem pracy hamulca. Hamulec tego typu zainstalowano na stanowisku badawczym w laboratorium Katedry Techniki Cieplnej i Chłodnictwa PŁ. Oprócz omówionych tutaj dwóch typów hamulców hydraulicznych wyróżnić jeszcze należy hamulce przepływowe. Przypominają one konstrukcją sprzęgła hydrokinetyczne, z tym że wirnik hamulca odpowiada pompie sprzęgła, a wieniec łopatkowy z obudową - unieruchomionej turbinie. Krążąca w urządzeniu ciecz (zwykle jest to woda) pobiera ciepło wywiązywane wewnątrz hamulca i wypływa do obiegu zewnętrznego, gdzie w chłodnicy zostaje ono odprowadzone na zewnątrz. Regulację obciążenia uzyskuje się poprzez zmianę natężenia przepływu cieczy, czyli zmianę ilości wody w obiegu. Również ciśnienie cieczy wewnątrz hamulca będzie mieć pewien wpływ na wartość obciążenia. Więcej informacji na temat hamulca tego typu można znaleźć w literaturze [4, 5, 7]. Hamulce obciążeniowe elektryczne można podzielić na trzy grupy: hamulce-prądnice, silniko-prądnice oraz hamulce elektrowirowe. We wszystkich przypadkach moment hamujący powstaje na skutek działania pola magnetycznego, a jego pomiar wraz ze znajomością prędkości obrotowej prowadzi do określenia badanej mocy. Rozwój tego typu urządzeń jest podyktowany chęcią odzyskania mocy traconej przy hamowaniu [4, 5]. Hamulce elektrowirowe wykorzystują zjawisko wydzielania się ciepła, jako efektu pracy prądów wirowych, powstających w wyniku przecinania sztucznie wytworzonego pola magnetycznego specjalnie ukształtowanym wirnikiem zębatym. Woda spełnia tu tylko rolę czynnika transportującego ciepło. Stąd obciążenie wytwarzane przez tego typu hamulce zależy od natężenia prądu płynącego w cewce. O powszechnym zastosowaniu tych hamulców zadecydowały ich zalety, takie jak dość znaczny moment hamowania przy małych prędkościach obrotowych, charakterystyka o bardzo małych mocach minimalnych, mała bezwładność mas wirujących, cichy i równomierny bieg, itd. Więcej informacji znajduje się w [5, 7]. Do określania mocy użytecznej silników oprócz omówionych już hamulców stosuje się też w specjalnych przypadkach dynamometry sprzęgłowe i torsjometry [5, 7].

3.2. URZĄDZENIA DO POMIARU PR ĘDKOŚCI OBROTOWEJ Prędkość kątowa ciała, mówiąc ogólnie, jest to pochodna kąta obrotu ϕ względem czasu. Wyrazić można ją również, jako stosunek prędkości liniowej v pewnego punktu do promienia krzywizny toru, po którym ten punkt się porusza. W układzie SI podstawową jednostką prędkości kątowej jest 1 radian na sekundę (rad/s). Jest to taka prędkość, przy której obrót o kąt odpowiadający 1 radianowi, czyli 1/(2π) kąta pełnego, dokonuje się w ciągu 1 sekundy. Technika pomiarowa w praktyce posługuje się legalnymi jednostkami pochodnymi: obr/s (2π rad/s) lub obr/min (2π/60 rad/s). Prędkość kątową można zmierzyć dwoma sposobami. Pierwsza metoda, pośrednia, polega na zliczaniu liczby obrotów za pomocą licznika i jednoczesnym pomiarze czasu. Tą metodą można uzyskać średnią prędkość obrotową, jako iloraz zliczonej liczby obrotów przez zmierzony czas ich realizacji. Bezpośredni sposób pomiaru polega na użyciu obrotomierzy (tachometrów) dających możliwość odczytania chwilowej prędkości kątowej w dowolnych jednostkach. Jest to metoda mniej dokładna, a dokładność wskazań zależy od typu i jakości wykonania samego przyrządu. Obrotomierze można podzielić na: mechaniczne, magnetyczne, elektryczne-elektroniczne, impulsowe, wibracyjne i stroboskopowe. Obrotomierze mechaniczne odśrodkowe działają na zasadzie wychylania się wirujących mas pod wpływem siły odśrodkowej. Masy te są przytwierdzone do elementów sprężystych sprowadzających je do położenia wyjściowego. Obrotomierze magnetyczne działają w ten sposób, że wałek o badanej prędkości obrotowej wprawia w ruch magnes trwały, którego pole magnetyczne powoduje powstanie prądów wirowych w aluminiowej obudowie, co z kolei powoduje powstanie momentu obrotowego na wałku z osadzoną wskazówką. Moment ten jest równoważony sprężyną. Powstały moment obrotowy jest proporcjonalny do prędkości wirowania magnesu, a więc do mierzonej prędkości obrotowej. Obrotomierze elektryczne składają się z dwóch głównych części, czyli: nadajnika (prądniczka tachometryczna) i wskaźnika, którym jest miernik napięcia, odpowiednio wzorcowany. Nadajnikiem jest prądniczka prądu stałego dobrana w ten sposób, aby spełniona była proporcjonalność wzrostu napięcia przy wzroście prędkości obrotowej. Obrotomierze impulsowe działają w ten sposób, że element, którego prędkość obrotową mierzymy używany jest jako element wywołujący impulsy np. świetlne lub magnetyczne. Impulsy te wywołują odpowiednie efekty w czujnikach. Czujnik indukcyjny reaguje bezdotykowo na przemieszczające się w jego strefie czułości metalowe przesłony, zęby, a jego działanie polega na pomiarze okresu częstotliwości impulsów wejściowych, proporcjonalnych do kontrolowanej prędkości. Czujnik fotoelektryczny reaguje na obiekty wykonane z dowolnego materiału mające na powierzchni kontrastowe znaczniki. Impulsy po wzmocnieniu i ukształtowaniu są prowadzone do licznika cyfrowego. Obrotomierze wibracyjne (rezonansowe) zbudowane są jako zestaw płaskich metalowych sprężynek przymocowanych do wspólnej ramy. Sprężynki przez nalutowanie cyny są tak wykonane, że mają kolejno coraz to większą liczbę drgań własnych. Po przyłożeniu przyrządu do wirującej maszyny, zaczyna drgać na skutek rezonansu ta sprężynka, której drgania własne odpowiadają prędkości obrotowej wirnika maszyny.


Str. 19/30

Obrotomierze stroboskopowe są oparte na zasadzie działania stroboskopu. Lampą błyskową z możliwością wywoływania błysków o zmiennej częstotliwości oświetla się wirujący przedmiot z namalowaną plamką. Moment, gdy ustanie pozorny ruch plamki, przy zmianie ilości błysków, oznacza, że prędkość wirowania jest taka sama, jak ilość błysków. Więcej informacji na temat urządzeń do pomiaru prędkości obrotowej można znaleźć w literaturze [5,7].

3.3. UKŁADY DO POMIARU ZU ŻYCIA PALIWA Pomiar zużycie paliwa w badaniach silników spalinowych polega na zmierzeniu natężenia przepływu paliwa do silnika. Pomiar zużycia paliw gazowych jest wykonywany gazomierzami. Do pomiaru zużycia paliw ciekłych używa się tzw. miernic. Zazwyczaj zużycie wyznacza się mierząc czas spalania określonej objętości lub masy paliwa. Stąd mamy miernice objętościowe i masowe. Najprostszą miernicą objętościową jest naczynie składające się z jednej lub kilku szklanych kul, o dokładnie znanej objętości, połączonych cienką rurką szklaną, patrz rys.18. Zbiornik paliwa musi się wówczas znajdować powyżej miernicy lub trzeba zastosować pompę podającą paliwo. Naczynie napełnia się paliwem i uruchamia silnik, a w momencie gdy poziom paliwa pokrywa się z linią skali objętości pomiarowej rozpoczyna się pomiar czasu, który kończy się w chwili osiągnięcia dolnego wskaźnika poziomu paliwa. W ten sposób mierzy się czas zużycia określonej objętości paliwa (np. 25 ml, 100 ml).

Rys. 18. Schematy układów do pomiarów zużycia paliwa metodą objętościową; a- układ otwarty; b- układ zamknięty; 1 - naczynie pomiarowe (miernica); 2 - zawór trójdrogowy, 3- zbiornik wyrównawczy, 4 - zawór odpowietrzający.

Układ otwarty przedstawiony na rys.18a jest bardzo prosty, ale posiada szereg wad. Przełączenie zasilania zaworem tródrogowym na naczynie pomiarowe z odcięciem dopływu ze zbiornika, powoduje obniżenie ciśnienia paliwa dopływającego do gaźnika, w wyniku czego obniża się poziom paliwa w komorze pływakowej gaźnika. Tym samym w czasie pomiaru silnik zużywa oprócz paliwa dostarczanego z miernicy pewną ilość paliwa z komory pływakowej, co może spowodować powstanie błędów. Układ przedstawiony na rys. 18b, jako układ zamknięty pozbawiony jest tej wady. Tutaj ciśnienie nad powierzchnią paliwa w miernicy, wywierane przez powietrze, jest stałe. Taki układ zapobiega również parowaniu paliwa z miernicy i zabezpiecza przed przelaniem podczas napełniania miernicy. Jednak ręczne uruchamianie sekundomierza jest powodem licznych niedokładności. Dlatego też obecnie coraz częściej stosowane są różne układy półautomatyczne i automatyczne. Na rys. 19 przedstawiono przyrząd do pomiaru masowego zużycia paliwa. Na szalce wagi umieszczony jest zbiornik pomiarowy 8, połączony przewodem paliwowym 7 z silnikiem. Paliwo dopływa do zbiornika 8 ze zbiorników 3 lub 4 przez filtry i zawory trójdrogowe 5 i 6. Pomiar rozpoczyna się od napełnienia zbiornika 8, następnie doprowadza się wagę do równowagi i zdejmuje jeden odważnik np. 100 g. Aby ponownie uzyskać stan równowagi ze zbiornika musi ubyć 100 g paliwa, co następuje po czasie t zmierzonym sekundomierzem 11 włączanym i wyłączanym automatycznie.


Str.20/30

Rys.19. Przyrząd do pomiaru masowego zużycia paliwa; 1 - Źródło prądu stałego, 2 - pręt kontaktowy, 3, 4 - zbiorniki paliwa, 5, 6 - zawory trójdrogowe, 7 - przewód paliwowy, 8 - naczynie pomiarowe z paliwem, 9 - waga, 10 - kotwiczka elektromagnesu, 11 - stoper, 12 - cewka elektromagnesu [5]

Do bezpośredniego pomiaru zużycia paliwa można stosować przepływomierze i rotametry, jednak ze względu na ich małą dokładność nie stosuje się ich w badaniach laboratoryjnych.

3.4. ANALIZATORY SKŁADU CHEMICZNEGO SPALIN Określenie składu chemicznego spalin jest często konieczne podczas badań silników w celu: • prawidłowej regulacji gaźnika w silnikach z zapłonem iskrowym, • kontroli przebiegu procesu spalania w silnikach z zapłonem iskrowym i z zapłonem samoczynnym, • do oceny toksyczności spalin. Stosowane w badaniach składu chemicznego spalin metody chemiczne, polegające na pochłanianiu i wiązaniu poszczególnych składników spalin przez odpowiednio dobrane substancje (jak np. w aparacie Orsata) lub też metody kolorymetryczne, gdzie odpowiednie związki zmieniały swe zabarwienie przy reakcji ze składnikami spalin, straciły już swe znaczenie i wyszły z powszechnego użytku ze względu na małą dokładność, kłopotliwe stosowanie oraz praco- i czasochłonność. Zastąpiły je analizatory oparte na metodach fizycznych, gdzie wykorzystuje się określoną cechę fizyczną danego składnika spalin i określa jego stężenie w spalinach. Umożliwiają one określenie stężenia tylko jednego składnika w spalinach, a więc często konieczne jest zastosowanie zespołu różnych analizatorów i zbudowanie wykresu Ostwalda dla spalania określonego paliwa. Zasadę budowy wykresu Ostwalda opisuje Wiśniewski [8], a przykładowe obliczenia dla wybranych paliw można znaleźć w pracy [9]. Własności fizyczne poszczególnych składników spalin wykorzystywane w budowie różnych typów analizatorów obejmują przewodnictwo cieplne, absorpcję promieniowania podczerwonego, jonizację, magnetyzm, chemoluminescencję i inne. Różnicę przewodnictwa cieplnego wykorzystano w analizatorach służących do określania w spalinach zawartości CO2 lub łącznej zawartości CO i H2. Zasadniczymi elementami analizatora są cztery druty oporowe, platynowe tworzące mostek, umieszczone w ten sposób, że dwa oporniki omywane są powietrzem, a dwa spalinami o tej samej temperaturze i ciśnieniu. Ze względu na to, że przewodnictwo cieplne CO2 jest mniejsze od przewodnictwa cieplnego powietrza, to oporniki omywane przez spaliny będą miały wyższą temperaturę w zależności od zawartości CO2 w spalinach. Spowoduje to zachwianie równowagi mostka i wychylenie wskazówki galwanometru wyskalowanego w % zawartości CO2. Taka sama zasada pomiaru wykorzystana jest w analizatorach łącznej zawartości CO i H2 w spalinach. Tutaj jeden z oporników omywanych przez spaliny pokryty jest katalizatorem, co umożliwia dopalanie nie spalonych cząstek CO i H2. W wyniku dopalania zmienia się temperatura spalin, a przez co i oporność jednej z gałęzi mostka co powoduje wychylenie wskazówki miernika. Analizatory oparte na zjawisku absorpcji promieniowania podczerwonego stosuje się zazwyczaj do oznaczania zawartości w spalinach CO, CO2 lub SO2 . Zjawisko jonizacji gazów wykorzystuje się w analizatorach do oznaczania sumarycznej ilości niespalonych węglowodorów. W takim detektorze płomieniowo - jonizacyjnym (FID - Flame Ionisation Detector) spaliny wraz z czystym wodorem spalane są w palniku z doprowadzeniem powietrza. Płomień wodorotlenowy jest niezjonizowany, natomiast wprowadzenie węglowodorów powoduje jego silną jonizację proporcjonalną do ilości atomów węgla wprowadzonych do płomienia. W wyniku jonizacji ośrodka zmienia się jego przewodność elektryczna, a więc natężenie prądu płynącego w specjalnym obwodzie, co mierzy się mikroamperomierzem. Mierniki wykorzystujące magnetyzm stosuje się do oznaczania zawartości tlenu w spalinach. Oznaczenie takie jest potrzebne do kontroli procesu spalania, określenia współczynnika nadmiaru powietrza, itp. Analizatory działające w oparciu o zjawisko chemoluminescencji zostały specjalnie opracowane do oznaczania zawartości tlenków azotu w spalinach.


Str. 21/30

Oprócz omówionych tu analizatorów różnych typów, określanie składu chemicznego spalin możliwe jest przy zastosowaniu chromatografii gazowej. Posiada ona szereg zalet, takich jak oznaczanie śladowych ilości czynnika, określania poszczególnych węglowodorów lub ich grup, itp., lecz znalazła ona zastosowanie tylko do specjalistycznych badań wymagających dużej dokładności.

3.5. POMIAR NATĘŻENIA PRZEPŁYWU CIECZY W celu określenia straty chłodzenia dla silnika spalinowego konieczna jest znajomość strumienia masy płynu przepływającego przez chłodnicę. Do pomiarów przepływów ustalonych lub niewiele zmieniających się w czasie bardzo dobrze nadają się danaidy i naczynia Poncleta. Zapewniają one dokładny pomiar i są powszechnie używane w laboratoriach i w przemyśle przy badaniach odbiorczych takich urządzeń jak pompy i maszyny cieplne.

Rys. 20. Danaida; 1 - otwór wylewowy, 2- przegroda z pełnej blachy, 3 - przegrody z blach dziurkowanych, 4 - płynowskaz, 5 skala.

Danaida jest urządzeniem do pomiaru strumienia objętości wypływającej cieczy składającym się z naczynia o przekroju kołowym lub prostokątnym, o sztywnych ściankach, w dnie którego umieszczono otwór lub otwory wypływowe oraz z płynowskazu umożliwiającego pomiar wysokości słupa cieczy h nad tymi otworami (rys.20). W celu uspokojenia powierzchni cieczy w części pomiarowej danaida posiada szereg przegród wykonanych z blachy pełnej lub z blachy z otworami. Otwór wypływowy jest typu kryzy lub dyszy. Pomiar strumienia objętości przepływającej cieczy danaidą opiera się o zależność tego strumienia od spiętrzenia (ciśnienia) cieczy, pod działaniem którego następuje wypływ. Opisuje to równanie

hgAqv ⋅⋅⋅⋅= 2α (38)

gdzie: qv - strumień wypływającej cieczy, m3/s, α - współczynnik wypływu, A - pole przekroju otworu, m2, h - wysokość słupa cieczy nad otworem, m, g - przyspieszenie ziemskie, m/s2. Współczynnik α dla otworu typu kryza wynosi 0,6÷0,65, zaś dla dyszy 0,92÷0,99. Wielkości te służą do obliczenia średnicy otworu przy projektowaniu danaidy. Wzorcowanie danaidy polega na doświadczalnym ustaleniu zależności między strumieniem objętości lub masy wypływającej cieczy a wysokością spiętrzenia, czyli

)( lub )( hfqhfq mv == . Odczyt wysokości słupa cieczy w danaidzie należy wykonać po ustaleniu stanu równowagi (h

= const), który powinien trwać minimum 3 minuty. Poziom cieczy nad otworem nie powinien być niższy od 300 mm, największa prędkość przepływu cieczy przez przekrój danaidy nie może być większa od 0,1 m/s. Identycznie zbudowane naczynie, ale z otworem wypływowym w ścianie bocznej nazywa się naczyniem Poncleta. Wysokość słupa cieczy h w danaidzie mierzy się od poziomu najwęższego otworu wypływowego, zaś w naczyniu Poncleta od środka otworu. Możliwe jest wykorzystanie do tego typu pomiarów innego typu urządzeń, których budowę i parametry robocze opisano w literaturze [6].

4. STANOWISKO BADAWCZE

Na rys. 21 przedstawiono schemat stanowiska pomiarowego do badania silnika spalinowego z zapłonem iskrowym, na którym przeprowadza się ćwiczenia w Laboratorium Termodynamiki Katedry Techniki Cieplnej i Chłodnictwa Politechniki Łódzkiej.


22

Str.22/30

Rys. 21. Schemat stanowiska pomiarowego do badania silnika spalinowego

1 - badany silnik, 2 - sprzęgło, 3 - skrzynia biegów, 4 - wał przegubowy, 5 - hamulec hydrauliczny, 6 - waga sprężynowa (dynamometr), 7 - prądnica tachometryczna, 8 - wskaźnik obrotów, 9 - zbiornik paliwa, 10 - zawór trójdrogowy, 11 - miernica zużycia paliwa, 12 - gaźnik, 13 - analizator Orsata, 14 - zbiornik wody chłodzącej, 15 - danaida ze wskaźnikiem, 16 - wymiennik ciepła, 17 - wskaźnik górny danaidy


Str. 23/30

Badany obiekt, czyli silnik spalinowy 1 zawieszony jest sprężyście na czterech łapach umocowanych sztywno na płycie. Do zawieszenia zastosowano te same elementy sprężyste, które stosuje się przy mocowaniu silnika w samochodzie. Silnik poprzez sprzęgło 2, skrzynię biegów 3 i wał dwuprzegubowy 4 połączony jest z hamulcem hydraulicznym 5. Takie połączenie umożliwia prawidłową pracę stanowiska nawet wówczas, gdy oś wału korbowego silnika jest przesunięta lub nachylona w stosunku do osi hamulca. Zainstalowano tu hamulec hydrauliczny typu Froude’a, wykonany w Instytucie Techniki Cieplnej i Chłodnictwa PŁ i oznaczony HH - 1. Jest on przeznaczony do badania silników o mocy do 75 kW i prędkości obrotowej do 6000 obr/min. Długość ramienia pomiarowego dynamometru wynosi 238,5 mm, a maksymalna dopuszczalna siła na tym ramieniu to 75 kG.

Maksymalne dopuszczalne ciśnienie wody w kadłubie hamulca (mierzone na dopływie) wynosi 0,4 MPa. Maksymalny strumień przepływu wody przy wzroście jej temperatury o 25 K równy jest 2,5 m3/h. Zasadę działania i budowę hamulca omówiono w rozdziale 3.1. Hamulec jest zasilany wodą pod stałym ciśnieniem hydrostatycznym. Ciśnienie wody można dopływającej do hamulca można regulować zaworem, a jego wartość odczytać na manometrze. Zmianę obciążenia hamulca przeprowadza się obracając pokrętłem układu regulacji położenia przesłon hamulca (patrz rys. 15 i opis w rozdziale 3.1). Prędkość obrotowa silnika mierzona jest przy pomocy prądnicy tachometrycznej 7, współpracującej z miernikiem elektrycznym 8 wyskalowanym w obr/min. Chłodzenie samego silnika zrealizowane jest na stanowisku w sposób podobny jak w samochodzie, tzn. w obiegu zamkniętym. Jednak do odbioru ciepła z chłodnicy 16 wykorzystuje się wodę zamiast powietrza. Chłodnica zatopiona jest w zbiorniku, przez który przepływa woda w obiegu otwartym.

Strumień objętości wypływającej cieczy mierzony jest przy pomocy danaidy 15, ze wskaźnikiem górnym 17 poziomu spiętrzenia cieczy. Z wykresu cechowania danaidy (rys. 22) odczytujemy masowe natężenie strumienia przepływającej wody chłodzącej. Mierzymy także temperaturę wody na wejściu do wymiennika 16 i na wyjściu z tego wymiennika dzięki miernikom temperatury, dla których odczyt następuje z tablicy rozdzielczej. Układ wydechowy badanego silnika zbudowany jest z tych samych elementów, które stosowane są w normalnej eksploatacji. Z tłumika wydechu spaliny odprowadzane są do komina, a stamtąd do atmosfery. Bezpośrednio za kolektorem wylotowym zabudowana jest termopara, zaś odczyt temperatury spalin realizowany jest z pulpitu sterowniczego. W układzie wydechowym umieszczona jest końcówka umożliwiająca pobór spalin do analizy.

Analizę składu chemicznego spalin wykonuje się przy pomocy uproszczonego aparatu Orsata 13, a pozostałe składniki odczytuje z wykresu Ostwalda (rys. 23), opracowanego specjalnie dla spalania paliwa o określonym składzie chemicznym. Ponieważ wykorzystanie analizatora Orsata jest kłopotliwe w praktycznym stosowaniu i bardzo pracochłonne i czasochłonne, to na stanowisku wykorzystuje się miernik wskazujący prawidłowość składu spalin, a pomiary wykonuje się tylko co jakiś czas. Układ paliwowy stanowiska jest układem otwartym składającym się ze zbiornika paliwa 9, pompy służącej do jego napełniania, miernicy zużytego paliwa 11 i układu zaworów sterujących 10 oraz przewodów paliwowych prowadzących do gaźnika 12. Zawory ustawiane są ręcznie, także pomiar czasu zużycia określonej objętości paliwa (25 cm3) mierzony jest ręcznie. Opisane tu stanowisko ma charakter uniwersalny i służy do zdejmowania podstawowych charakterystyk silnika i wykonania jego bilansu energetycznego. Przy badaniach specjalistycznych musi zostać ono dodatkowo wyposażone w szereg zestawów aparatury pomiarowej.

Str.24/30

Rys. 22. Wykres cechowania danaidy, dla kryzy φ = 7,5 mm.


Str. 25/30

Rys. 23. Wykres Ostwalda dla spalania benzyny o składzie C= 85%, H = 15%.


Str.26/30

OBIEKT BADA Ń Obiektem badań jest spalinowy silnik samochodowy o zapłonie iskrowym, służący do napędu samochodu osobowego FSO 1300 (Polski FIAT). Silnik zamontowany jest na stanowisku pomiarowym (rys. 21). Charakterystyka techniczna silnika FIAT 1160.076 Rodzaj silnika - czterosuwowy. Liczba cylindrów - cztery w układzie rzędowym. Średnica cylindra - 72 mm. Skok tłoka - 79,5 mm. Pojemność skokowa - 1295 cm3. Stopień sprężania - ε = 9. Moc maksymalna (DIN) ± 5% - 65 KM (47,8 kW). Moc maksymalna (SAE) ± 5% - 75 KM (55,2 kW). Prędkość obrotowa przy mocy maksymalnej 5300 obr/min. Moment maksymalny (DIN) ± 5% - 9,5 kGm (93,2 Nm). Moment maksymalny (SAE) ± 5% - 10,5 kGm (103 Nm). Prędkość obrotowa przy momencie maksymalnym - 4000 obr/min. Rozrząd - górnozaworowy, wał rozrządu w kadłubie silnika. Gaźnik - dwugardzielowy typu WEBER - 34DCHD-1. Instalacja zapłonowa - 12 V. Paliwo - Benzyna wysokooktanowa (U - 95) o właściwościach: skład chemiczny C = 85%, H = 15%, gęstość ρ = 720 kg/m3, wartość opałowa Qw = 43,50 MJ/kg.

6. POMIARY UWAGA! Do pomiarów przystępujemy po dokładnym zapoznaniu się z poniższym rozdziałem instrukcji.

6.1. CHARAKTERYSTYKI SILNIKA

6.1.1. SPOSÓB WYKONANIA NIEZBĘDNYCH POMIARÓW 1 - Otwarcie przepustnicy gaźnika reguluje się linką zakończona cechowanym suwakiem. Na suwaku zaznaczone są kreskami położenia odpowiadające 25%, 50%, 75% i 100% otwarcia przepustnicy. 2 - Pomiary zużycia paliwa wykonuje się przy pomocy szklanej miernicy i stopera. Mierzony jest czas zużycia 25 cm3 paliwa. 3 - Prędkość obrotowa silnika mierzona jest na wale przy użyciu obrotomierza elektrycznego współpracującego z przekaźnikiem tachometrycznym (prądniczka). 4 - Pomiar mocy użytecznej silnika spalinowego oparty jest na pomiarze momentu obrotowego na wale napędowym. Do pomiaru zastosowano hamulec hydrauliczny typu Frouda.

6.1.2. TOK POMIARÓW

Po przekręceniu kluczyka w prawo na pulpicie sterowniczym uruchomiony zostaje silnik. Należy poczekać na ustalenie się warunków cieplnych pracy silnika, a następnie, sterując stopniem otwarcia przepustnicy gaźnika, ustalić prędkość obrotową na zdanym poziomie. Przy 25% otwarcia przepustnicy, silnik obciąża się hamulcem w ten sposób, aby prędkość obrotowa na wale silnika ustaliła się na poziomie 2400 obr/min. Odpowiada to dolnej wartości mierzonej mocy. Po ustaleniu parametrów roboczych na tym poziomie należy odczytać wskazanie dynamometru hamulca (siła P) i jednocześnie zmierzyć czas zużycia 25 cm3 paliwa (zużycie paliwa Gu). Uzyskane wyniki pomiarowe należy zapisać w Tabeli Pomiarowej. Uzyskane dane umożliwiają ustalenie jednego punktu pomiarowego na wykresach Nu= f(n), Mo = f(n) i gu = f(n). Dalsze punkty charakterystyk uzyskuje się wykonując pomiary przy coraz to wyższych prędkościach obrotowych, zmienianych o 200 obr/min aż do osiągnięcia 4000 obr/min. Drugą serię pomiarową wykonuje się w identyczny sposób przy 50% otwarciu przepustnicy gaźnika.


Str. 27/30

6.2. BILANS ENERGETYCZNY SILNIKA SPALINOWEGO

6.2.1. SPOSÓB WYKONANIA NIEZBĘDNYCH POMIARÓW Oprócz pomiarów omówionych w punkcie 6.1.1 dodatkowo wykonuje się pomiary: 1 - W celu obliczenia strumienia cieplnego odprowadzanego przez wodę chłodzącą silnik, czyli straty chłodzenia,

mierzy się termoparami temperaturę wody chłodzącej na wlocie i wylocie z wymiennika ciepła oraz spiętrzenie wody w danaidzie. Masowe natężenie przepływu wody ustala się na podstawie wykresu cechowania danaidy (rys.22);

2 - Określenie strumienia ciepła odprowadzonego ze spalinami wymaga wykonania analizy spalin (aparatem Orsata lub innym analizatorem). Wyniki wykorzystuje się również do obliczenia straty niezupełnego spalania. Brakujące udziały odczytuje się z wykresu Ostwalda (rys.23). Ponadto mierzy się temperaturę spalin przy pomocy termoelementu umieszczonego w kolektorze wydechowym silnika. Temperaturę otoczenia mierzy się termometrem rtęciowym.

3 - Do wyznaczenia strat mechanicznych konieczna jest znajomość mocy indykowanej silnika. W przypadku, gdy wykres indykatorowy nie jest zdejmowany, straty mechaniczne nie są wyznaczane.

6.2.2. TOK POMIARÓW

W czasie wykonywania ćwiczenia, pomiary niezbędne do zestawienia bilansu energetycznego realizowane są, gdy silnik pracuje przy przepustnicy otwartej w 50% i z prędkością obrotową 3000 obr/min. W celu sprawdzenia stabilności warunków pomiarów i poprawy dokładności bilansu energetycznego wykonuje się kilka pomiarów wymienionych wartości (np. 5 w odstępach minutowych). Próbkę spalin do analizy pobiera się raz. Wyniki pomiarów zapisuje się w Tabeli Pomiarowej, w części dotyczącej bilansu energetycznego.

7. OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW Wyniki pomiarów zostały zapisane w Tabeli Pomiarowej. Obliczenia przeprowadza się z zależnościami podanymi w rozdziale 2 tej instrukcji i zapisuje w Tabeli Wielkości Obliczonych. Na podstawie tych wyników wykreśla się następujące charakterystyki:

Nu = f(n), Mo = f(n), gu = f(n), Gu = f(Nu), gu = f(Nu); Przykładowe charakterystyki prędkościowe dla innego silnika spalinowego o zapłonie iskrowym, przy czterech różnych otwarciach przepustnicy gaźnika, przedstawione zostały na rys. 5. Wyniki obliczonego bilansu energetycznego silnika spalinowego można przedstawić w formie wykresu pasmowego (wstążkowego) Sankey’a. Postać graficzna jest wygodna do analizy i porównania pracy danego silnika z innymi silnikami.

LITERATURA

1. Bernhardt M. : Badania trakcyjnych silników spalinowych. WKiŁ, Warszawa 1970. 2. Bernhardt M., Dobrzyński S., Loth E. : Silniki samochodowe. WKiŁ, Warszawa 1978. 3. Werner J., Wajand J.A. : Silniki spalinowe małej i średniej mocy. WNT, Warszawa 1983. 4. Pomiary w technice cieplnej. Praca zbiorowa pod redakcją F. Kotlewskiego i M. Mieszkowskiego. WNT, Warszawa 1974. 5. Pomiary cieplne i energetyczne. Praca zbiorowa pod redakcją M. Mieszkowskiego. WNT, Warszawa 1981 i 1985. 6. Pomiary cieplne. Część I. Podstawowe pomiary cieplne. Praca zbiorowa pod redakcją T.R. Fodemskiego. WNT, Warszawa 1993, 2001. 7. Pomiary cieplne. Część II. Badania cieplne maszyn i urządzeń. Praca zbiorowa pod redakcją T.R. Fodemskiego. WNT, Warszawa 1993, 2001. 8. Wiśniewski S. : Termodynamika techniczna. WNT, Warszawa 1980 i 1987. 9. Zbiór zadań z termodynamiki. Praca zbiorowa pod redakcją T.R. Fodemskiego. Wyd. Politechniki Łódzkiej, Łódź 1996 i 1999. 10. Rażnievic K. : Tablice cieplne z wykresami. WNT, Warszawa 1966.


Str.28/30

PYTANIA SPRAWDZAJ ĄCE

1. Silnik samochodu osobowego zużywa 6 l/h paliwa o składzie: C = 0,855; H = 0,1445; S = 0,0005; o gęstości ρ = 726 kg/m3 i wartości opałowej Qw = 43,5 MJ/kg. Powietrze dostarczane jest z 15% nadmiarem (λ = 1,15). Temperatura mieszanki paliwowo - powietrznej przed spaleniem wynosi tp = 20°C, a temperatura spalin ts = 520°C. Gęstość powietrza w temperaturze 20°C wynosi ρpow. = 1,205 kg/m3, a ciepła właściwe gazów spalinowych są następujące:

c c c

c c

CO SO H O

N O

2 2 2

2 2

kJ / kg K; kJ / kg K; kJ / kg K;

kJ / kg K; kJ / kg K.

= ⋅ = ⋅ = ⋅

= ⋅ = ⋅

115 0 808 2 13

112 1 05

, , ,

, ,

Obliczyć moc cieplną uzyskiwaną ze spalenia paliwa, ilość spalin suchych i mokrych oraz ich skład masowy, a także zapotrzebowanie powietrza do spalenia paliwa. Określić również stratę odlotową, czyli ilość ciepła unoszoną przez spaliny.

2. Wykonać bilans energetyczny silnika spalinowego czterosuwowego z zapłonem samoczynnym o objętości skokowej 9 litrów, mocy użytecznej Nu = 40,4 kW przy n = 1000 obr/min. Przyjąć współczynnik zasysania (stosunek objętości rzeczywiście zasysanej do objętości skokowej silnika) równy 0,95. Powietrze osiąga na końcu procesu zasysania parametry: ciśnienie 0,96 bar i temperaturę 67°C. Silnik zużywa, przy stałym obciążeniu, 10 kg/h paliwa o Qw = 42.000 kJ/kg. Temperatura spalin wylotowych wynosi 410°C. Silnik pracuje w otoczeniu o temperaturze 20°C. Natężenie przepływu wody chłodzącej wynosi 10 l/min, przy czym woda podgrzewa się od 20°C na wlocie do 78°C na wylocie z silnika. Średnie ciepło właściwe spalin należy przyjąć jako równe cps = 1,05 kJ/kg K, a powietrza cpp = 1,00 kJ/kg K. W bilansie określić (w kW i procentach) pracę użyteczną, stratę odlotową, stratę chłodzenia i pozostałe straty.

3. Wyprowadzić wzór na sprawność termiczną obiegu: a) Otto; b) Diesla; c) Sabathe’a.

4. Zasada działania i konstrukcja silnika : a) czterosuwowego z zapłonem iskrowym, b) dwusuwowego z zapłonem iskrowym, c) wysokoprężnego.

5. Zbudować wykres Ostwalda dla spalania benzyny o składzie masowym: a) C - 87%; H -13%; b) C - 84%; H - 16%.

6. Do czego służy karburator, jak jest zbudowany i jak działa?

7. Charakterystyki silnika spalinowego: a) prędkościowe, b) obciążeniowe, c) regulacyjne. 8. Bilans energetyczny silnika spalinowego.

9. Budowa i zasada działania hamulca wodnego typu Frouda.

10. Obliczyć parametry stanu p, v, T w węzłowych punktach obiegu Otto, pracę odniesioną do 1 kg czynnika roboczego i sprawność termiczną obiegu przy danych: temperatura T1 = 343 K i ciśnienie p1 = 0,1 MPa początku kompresji, stopień kompresji ε = 8, ciepło doprowadzone do czynnika wykonującego obieg qd = 250 kJ/kg, czynnik roboczy ma właściwości powietrza.


Str. 29/30

Ćwiczenie T12 TABELA POMIAROWA

silnik FIAT 116C.046

Data Grupa nr silnika 315836

DZIEŃ MIESIĄC ROK

Otwarcie przepustnicy gaźnika 25% Obroty silnika

n, obr/min 2400 2600 2800 3000 3200 3400 3600 3800 4000

Siła na hamulcu P, kG

Czas zużycia 25 cm3 paliwa ττττ, s

Otwarcie przepustnicy gaźnika 50% Obroty silnika

n, obr/min 2400 2600 2800 3000 3000 3000 3000 3000 3200 3400 3600 3800 4000

Siła na hamulcu P, kG

Czas zużycia 25 cm3 paliwa ττττ, s Temp. wody

dopływającej tw1 , °C

Temp. wody dopływającej

tw2 , °C

Spiętrzenie danaidy h , mm Temperatura spalin ts , °C

Udział objętościowy

CO2 w spalinach %

Udział

objętościowy O2 w spalinach %

B I L A N S

temperatura otoczenia t0 = °C

ciśnienie barometryczne pb = mm Hg ........................................... Podpis prowadzącego ćwiczenie


Str.30/30

Data Grupa

DZIEŃ MIESIĄC ROK

TABELA WIELKO ŚCI OBLICZONYCH

n Nu Gu gu Mo Q0 Qu Sch Sodl SCO Sm ΣΣΣΣS ηηηηi ηηηηm ηηηηo obr/min kW kg/h kg/kWh Nm kW kW kW kW kW kW kW % % % % L.p.

Charakterystyka Bilans energetyczny 1 2400 2 2600 3 2800 4 3000 5 3200 6 3400 7 3600 8 3800 10 4000

25

11 2400 12 2600 13 2800 14 3000 15 3000 16 3000 17 3000 18 3000 19 3200 20 3400 21 3600 22 3800 24 4000

50

Documents

T_12 Silnik Spalinowy