Stanowisko badawcze silnika - Adam Ustrzycki

Opracował: Adam Ustrzycki
Katedra Silników Spalinowych i Transportu
LABORATORIUM SILNIKÓW SPALINOWYCH
Materiały pomocnicze
Temat: Stanowisko badawcze silnika spalinowego i cechowanie hamulca
Stanowisko badawcze silnika spalinowego powinno zapewniać pomiar podstawowych
parametrów pracy silnika spalinowego oraz właściwe warunki jego pracy. Zakres mierzonych
parametrów uzaleŜniony jest od rodzaju przeprowadzanych prób lub badań oraz od typu silnika.
Norma PN-ISO 15550-1 pt. „Silniki spalinowe tłokowe - Określanie i metoda pomiaru mocy
silnika - Wymagania ogólne” wyróŜnia dwie róŜne procedury badania silnika, określone jako
metoda 1 i metoda 2 [3].
Metoda badawcza 1 jest stosowana w celu weryfikacji nominalnych parametrów silnika
zgodnie z wymaganiami zawartymi w umowie. Ustala wymagania dla prób zdawczych, typu i/lub
prób specjalnych przeprowadzonych na silniku zamontowanym na stanowisku badawczym w
zakładzie producenta lub w miejscu zainstalowania.
Metoda badawcza 2 jest stosowana do weryfikacji mocy znamionowej silnika netto i/lub
mocy całkowitej. Przedstawia osiągi silnika przy pełnej mocy/maksymalnym momencie
obrotowym w zaleŜności od prędkości obrotowej silnika w wyniku naniesienia na wykres
krzywych mocy i zuŜycia paliwa. Metoda ma równieŜ zastosowanie do wyznaczenia mocy silnika
dla pomiaru emisji spalin zgodnie z wymaganiami ISO 8178.
Biorąc pod uwagę zakres wykonywanych badań na zajęciach laboratoryjnych, stanowisko
badawcze silnika powinno umoŜliwiać pomiary w zakresie odpowiadającym wymaganiom
metody badawczej 2, które przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1. Urządzenia pomiarowe i dokładność przyrządów [2]
Lp.
1.
Mierzony parametr
Moment obrotowy
2.
Prędkość obrotowa silnika
3.
NatęŜenie przepływu paliwa
zuŜycie paliwa
Temperatura paliwa
Temperatura powietrza w
układzie dolotowym silnika
Ciśnienie atmosferyczne
4.
5.
6.
7.
Wymagania
Układ do pomiaru momentu obrotowego za pomocą dynamometru powinien
mieć dokładność wynoszącą ± 1 % zakresu wartości wymaganych podczas
badania. Dokładność w dolnym zakresie do połowy zakresu pomiarowego
stanowiska hamulcowego moŜe mieścić się w zakresie ± 2 % wartości
zmierzonego momentu obrotowego
Dokładność układu do pomiaru prędkości obrotowej silnika powinna wynosić
0,5 %
Dokładność układu do pomiaru natęŜenia przepływu paliwa powinna wynosić
1%
Dokładność układu do pomiaru temperatury paliwa powinna wynosić ± 2 K.
Dokładność układu do pomiaru temperatury powietrza powinna wynosić ± 2 K.
Dokładność układu do pomiaru ciśnienia atmosferycznego powinna wynosić ±
100 Pa
Dokładność układu do pomiaru ciśnienia bezwzględnego w przewodzie
dolotowym silnika powinna wynosić ± 2 % wartości zmierzonego ciśnienia
Dokładność układu do pomiaru przeciwciśnienia w układzie wylotowym
silnika powinna wynosić 200 Pa.
Ciśnienie naleŜy mierzyć z dokładnością 50 Pa.
Ciśnienie bezwzględne w
przewodzie dolotowym
8.
Przeciwciśnienie w układzie
wylotowym silnika1)
9.
Spadek ciśnienia w układzie
dolotowym2)
10. Temperatura spalin
Dokładność układu do pomiaru temperatury spalin powinna wynosić ± 20 K
1)
W przypadku zastosowania równowaŜnego układu dolotowego zamiast układu seryjnego naleŜy dokonać kontroli,
aby upewnić się, iŜ wartość spadku ciśnienia nie róŜni się o więcej niŜ 100 Pa od wartości granicznej określonej
przez producenta dla czystego filtra powietrza.
2)
W przypadku zastosowania równowaŜnego układu wylotowego zamiast układu seryjnego naleŜy dokonać kontroli
celem upewnienia się, Ŝe przeciwciśnienie w układzie wylotowym silnika nie róŜni się o więcej niŜ 1000 Pa od
ciśnienia określonego przez producenta. JednakŜe moŜna zastosować system zapewniający minimalną wartość strat
ciśnienia.
Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa
Politechnika Rzeszowska
Opracował: Adam Ustrzycki
Katedra Silników Spalinowych i Transportu
W celu umoŜliwienia prawidłowej pracy silnika i hamulca stanowisko badawcze silnika
spalinowego powinno być wyposaŜone w instalacje:
• paliwową, zapewniającą doprowadzenie w bezpieczny sposób paliwa do silnika,
• wylotową spalin zapewniającą odprowadzenie spalin,
• nawiewno-wywiewną zapewniającą dopływ świeŜego powietrza,
• elektryczną zapewniającą doprowadzenie (takŜe odprowadzenie w przypadku hamulca
prądnicowego) prądu do hamulca i urządzeń pomiarowych,
• hydrauliczną zapewniającą doprowadzenie do silnika i hamulca czynnika chłodzącego,
• spręŜonego powietrza do zaworów pneumatycznych urządzeń pomiarowych będących na
wyposaŜeniu poszczególnych stanowisk badawczych.
Podstawowym urządzeniem stanowiska badawczego silnika jest hamulec silnikowy z
oprzyrządowaniem, umoŜliwiający obciąŜenie silnika określonym momentem obrotowym oraz
pomiar tego momentu, jak równieŜ prędkości obrotowej. Do hamowania tłokowych silników
spalinowych stosowanych w środkach transportu uŜywa się hamulców, które ze względu na
sposób wytwarzania momentu hamującego moŜna podzielić na [1]:
• cierne,
• powietrzne,
• wodne,
• elektryczne.
- elektrowirowe,
- prądnicowe.
Hamulce cierne ze względu na swoje wady (mała stabilność obciąŜenia) nie są obecnie
stosowane. Hamulce powietrzne słuŜą do hamowania tłokowych silników spalinowych
stosowanych w lotnictwie. Do hamowania silników spalinowych stosowanych w pojazdach
samochodowych szeroko stosuje się hamulce wodne i elektryczne. W Laboratorium Silników
Spalinowych znajdują się dwa hamulce wodne firmy Schenck typu D-630e oraz dwa hamulce
elektryczne: elektrowirowy firmy Heenan-Froude oraz prądnicowy firmy Schenck typu Dynas 2.
Hamulce róŜnią się zakresem dopuszczalnych prędkości obrotowych oraz mocy hamowanych
silników.
Tabela 2.
Stanowisko
1
2
3
4
Podstawowe parametry hamulców
Politechniki Rzeszowskiej [2]
Hamulec
Rodzaj hamulca
Schenck
prądnicowy
Dynas 2
Schenck
wodny
D-630e
Heenen-Froude
elektrowirowy
Mark II
Schenck
wodny
D-630e
w
Laboratorium
Silników
Spalinowych
Stała hamulca K
Wartość
Jednostka
Dopuszczalna
prędkość obrotowa
Maksymalna moc
9000 obr/min
220 kW
1
[-]
3000 obr/min
630 KM
1
[-]
6000 obr/min
150 kW
197
3000 obr/min
630 KM
10000
[kG*obr
kW*min]
[N*obr
kW*min]
Pomiar momentu obrotowego silnika jest realizowany poprzez pomiar momentu
reakcyjnego obudowy hamulca, która jest ułoŜyskowana wahliwie. Pomiar tego momentu odbywa
się za pomocą układu dynamometrycznego pozwalającego na pomiar siły, która działa na
ramieniu hamulca o długości lh. Do pomiarów siły w układach pomiarowych hamulców uŜywa się
zazwyczaj przetworników siły.
Moc traconą na hamulcu określa się wzorem:
Ne =
Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa
P⋅n
K
(1)
Politechnika Rzeszowska
Opracował: Adam Ustrzycki
Katedra Silników Spalinowych i Transportu
gdzie:
Ne – moc efektywna silnika,
P – siła na hamulcu,
n – prędkość obrotowa hamulca,
K – stała hamulca.
Uwaga: NaleŜy pamiętać, Ŝe stała hamulca jest zawsze podawana w odniesieniu do określonych
jednostek wstawianych do wzoru. Na przykład, dla hamulca Heenan-Froude (tabela 2)
podstawiając siłę w kG, prędkość obrotową w obr/min oraz stałą hamulca o wartości 197
otrzymujemy moc wyraŜoną w kW.
Cechowanie hamulca
Cechowanie (skalowanie) hamulca polega na sprawdzeniu prawidłowości jego wskazań na
podstawie wykonywania próbnych pomiarów z uŜyciem odwaŜników wzorcowych.
W celu wycechowania hamulca naleŜy na czas pomiaru zamontować do obudowy hamulca
ramię wzorcowania o znanej długości lw z szalką na odwaŜniki. Pomiarów dokonuje się
zwiększając obciąŜenie o kolejne cięŜarki (zaciąŜanie) i po osiągnięciu obciąŜenia maksymalnego
zmniejszając obciąŜenie do zera (odciąŜanie). W efekcie pomiarów, otrzymujemy dane do
wykreślenia tzw. histerezy hamulca. Ze względu na tarcie w łoŜyskach obudowy hamulca,
wskazania na hamulcu dla tego samego obciąŜenia przy zaciąŜeniu i odciąŜaniu róŜnią się od
siebie. Hamulec jest tym dokładniejszy im pętla histerezy jest węŜsza. Schemat układu
cechowania hamulca przedstawiono na rys. 1.
obudowa
hamulca
ramię
wzorcowania
W
P
odwaŜnik
wzorcowy
ramię
hamulca
Q
kG
wskaźnik
siły
czujnik
siły
lh
lw
Rys. 1. Schemat układu pomiarowego przy cechowania hamulca [2]
PoniewaŜ ramię hamulca i ramię wzorcowania zazwyczaj są róŜne, naleŜy określić siłę P
odpowiadającą obciąŜeniu Q z równania momentów. W tym celu naleŜy określić długość ramienia
hamulca lh na podstawie stałej hamulca. Uwzględniając, Ŝe moc w ruchu obrotowym określana
jest wzorem:
Ne = Mo ⋅ ω
(2)
gdzie:
Ne – moc efektywna silnika,
Mo – moment obrotowy ( Mo = P ⋅ l h ),
ω – prędkość kątowa ( ω =
Π ⋅n
30
, n – prędkość obrotowa w obr/min),
to moŜna zapisać, Ŝe:
Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa
Politechnika Rzeszowska
Opracował: Adam Ustrzycki
Katedra Silników Spalinowych i Transportu
P⋅n
Π ⋅n
= P ⋅ lh ⋅
K
30
stąd przy spójnym układzie jednostek:
1
Π
= lh ⋅
K
30
K =⋅
lub
30
lh ⋅ Π
Ostatecznie:
K =⋅
C
lh
(3)
Uwaga: W przypadku zastosowania róŜnych jednostek siły lub mocy w porównywanych wzorach
stała C zmieni swoją wartość.
Wskazania hamulca W powinno w idealnym przypadku powinno być równe sile obciąŜającej P.
Ze względu na określoną dokładność dynamometru wartości te będą róŜnić się od siebie o błąd
bezwzględny:
∆=W −P
(4)
Błąd względny przyrządu określany jest z wzoru:
δ=
∆
P
⋅ 100%
(5)
Układ dynamometryczny hamulca powinien spełniać wymagania zamieszczone w tabeli 1.
Literatura
[1] Gola M., Januła J., Litwin J.: Laboratorium silników spalinowych. Wydaw. Politechniki
Radomskiej, Radom 1996.
[2] Kuszewski H., Ustrzycki A.: Laboratorium spalinowych napędów środków transportu.
Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 2011.
[3] PN-ISO 15550-1: Silniki spalinowe tłokowe - Określanie i metoda pomiaru mocy silnika Wymagania ogólne. PKN, Warszawa 2009.
Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa
Politechnika Rzeszowska