Pomiar sprawności mechanicznej - Adam Ustrzycki

Opracował: Adam Ustrzycki
Katedra Silników Spalinowych i Transportu
LABORATORIUM SILNIKÓW SPALINOWYCH
Materiały pomocnicze
Temat: Pomiar sprawności mechanicznej
Sprawność mechaniczna jest to stosunek mocy uŜytecznej Ne (średniego ciśnienia
uŜytecznego pe) do mocy indykowanej Ni (średniego ciśnienia indykowanego pi) i wyraŜana jest
wzorem [3]:
N
p
ηm = e = e
(1)
Ni
pi
Moc uŜyteczna (efektywna) jest to moc lub suma mocy na końcówce wału korbowego lub
jej odpowiedniku, z uwzględnieniem zamontowanych urządzeń łącznie z urządzeniami
pomocniczymi (wg wymagań normy) [4]. Moc efektywna mierzona jest poprzez pomiar momentu
obrotowego i prędkości obrotowej bezpośrednio na stanowisku badawczym.
Moc indykowana silnika jest to całkowita moc rozwijana w cylindrach silnika w wyniku
działania czynnika roboczego na tłoki [3].
Na wale korbowym silnika otrzymujemy moc mniejszą, gdyŜ część mocy indykowanej traci
się na pokonanie oporów tarcia między współpracującymi częściami silnika i na napęd urządzeń
pomocniczych. Straty mechaniczne moŜna podzielić na następujące grupy [1, 2]:
• straty na tarcie wyraŜone momentem traconym na pokonanie oporów tarcia we wszystkich
parach kinematycznych współpracujących ze sobą elementów, a więc:
– między tłokiem, pierścieniami i gładzią tulei cylindrowej,
– w łoŜyskach ślizgowych wału korbowego i wału rozrządu,
– w łoŜyskach sworzni tłokowych,
– w mechanizmie rozrządu.
Straty tarcia stanowią około 70% wszystkich strat mechanicznych, w tym straty tarcia między
tłokiem a tuleją 2/3 wszystkich strat tarcia,
• straty wentylacyjne wyraŜone momentem strat wentylacyjnych, związane z pokonywaniem
oporu gazów i cząstek mgły olejowej w skrzyni korbowej oporu powietrza przez koło
zamachowe i inne,
• straty na napęd urządzeń pomocniczych silnika wyraŜone momentem traconym na napęd tych
urządzeń. W tej grupie wymienić moŜna straty związane z urządzeniami, bez których
niemoŜliwa jest nawet chwilowa normalna praca silnika (pompa wtryskowa w silniku o ZS,
pompa oleju, pompa wodna, aparat zapłonowy w silniku o ZI) oraz straty napędu urządzeń,
które mogą być zasilane niezaleŜnie od silnika, np. wentylator, prądnica itp.,
• straty na napęd spręŜarki doładowującej wyraŜone momentem traconym na napęd spręŜarki,
w przypadku silnika doładowanego mechanicznie.
Straty mechaniczne silnika spalinowego zaleŜą od wielu czynników, które moŜna zaszeregować
do dwóch grup: czynników konstrukcyjnych i eksploatacyjnych.
Wśród czynników konstrukcyjnych wymienić naleŜy:
• wielkość silnika wyraŜoną objętością Vss i maksymalną mocą uŜyteczną Nemax,
• układ konstrukcyjny (system rozrządu, sposób ułoŜyskowania, pasowania),
• rodzaj silnika (dwusuwowy, czterosuwowy),
• rodzaj osprzętu,
• rodzaj układu zasilania,
• średnia prędkość tłoka Cśr.
Metody wyznaczania sprawności mechanicznej
Określenie sprawności mechanicznej jest przedmiotem normy branŜowej BN-81/1374-08.
Norma ta zaleca stosowanie dwóch metod do określania umownej sprawności mechanicznej [5]:
Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa
Politechnika Rzeszowska
Opracował: Adam Ustrzycki
Katedra Silników Spalinowych i Transportu
metody kolejnego wyłączania cylindrów,
• metody ekstrapolacji charakterystyki obciąŜeniowej.
Biorąc pod uwagę coraz szerzej stosowane hamulce prądnicowe, które mogą napędzać silnik
i dokładnie mierzyć moment oporowy, do określania sprawności mechanicznej moŜna uŜyć tzw.
metody obcego napędu.
•
Metoda kolejnego wyłączania cylindrów
W tej metodzie pomiary przeprowadza się na pracującym silniku na stanowisku
hamownianym. Przyjmuje się załoŜenie, Ŝe po wyłączeniu z pracy jednego z cylindrów silnika i
utrzymaniu nie zmienionej prędkości obrotowej, straty mechaniczne nie zmieniają się, a spadek
mocy uŜytecznej silnika równy jest mocy indykowanej wyłączonego cylindra. Wówczas:
N ii = N e - N ei
(2)
gdzie:
Nii - moc indykowana i-tego wyłączonego cylindra,
Ne - moc uŜyteczna silnika przy pracujących wszystkich cylindrach,
Nei - moc uŜyteczna silnika po wyłączeniu i-tego cylindra.
Wyłączając kolejno z pracy wszystkie cylindry moŜna określić moc indykowaną, jaką daje
kaŜdy z nich. Dla silnika o liczbie cylindrów lc moc indykowana wynosi:
∑ N = ∑ (N
lc
Ni =
i =1
lc
ii
- N ei
e
i =1
)
(3)
Uwzględniając wzór (5.1) sprawność mechaniczną obliczyć moŜna korzystając ze wzoru:
ηm =
Ne
∑ (Ne - Ne )
lc
i =1
(4)
i
Wyłączanie cylindrów odbywa się w silniku o ZI przez wyłączanie zapłonu w danym
cylindrze (zwarcie przewodu wysokiego napięcia z masą lub jego odłączenie od świecy) i lub
wyłączeniu wtryskiwacza, a w silniku o ZS przez zamknięcie dopływu paliwa do wtryskiwacza
danego cylindra lub równieŜ poprzez wyłączenie wtryskiwacza w silniku z elektronicznie
sterowanymi wtryskiwaczami (silnik z układem zasilania typu Common Rail).
Przyjęte w metodzie wyłączania kolejnych cylindrów załoŜenia stanowią dość istotne
uproszczenie wobec faktu, Ŝe po wyłączeniu i-tego cylindra zostanie zakłócony proces wymiany
ładunku w pozostałych cylindrach, zmienią się siły obciąŜające układ tłokowo-korbowy, jak
równieŜ moŜe nastąpić zmiana parametrów sterownika, ze względu na próbę adaptacji do nowych
warunków pracy układu zasilania. Wykrycie przez sondę lambda obecności tlenu w spalinach, na
skutek braku spalania w wyłączonym cylindrze, moŜe być interpretowane przez sterownik jako
zuboŜenie mieszanki a w konsekwencji zostanie zwiększenie czasu wtrysku w celu
doprowadzenia składu mieszanki do stechiometrycznego (λ=1). Dlatego w silnikach z
adaptacyjnym układem sterowania wtryskiem, w oparciu o sprzęŜenie zwrotne w postaci czujnika
tlenu w spalinach, wyznaczania sprawności mechanicznej metodą kolejnego wyłączania
cylindrów moŜe być mocno utrudnione. W tym wypadku pomiar tą metodą jest moŜliwy po
zastosowaniu sterownika, w którym funkcje adaptacyjne mogą być wyłączone.
Metody tej, z oczywistych względów, nie moŜna zastosować równieŜ do określania
sprawności mechanicznej silnika jednocylindrowego.
Metoda ekstrapolacji charakterystyki obciąŜeniowej
Metoda ta w pierwszej kolejności wymaga sporządzenia charakterystyki obciąŜeniowej dla
prędkości obrotowej, dla której chcemy określić sprawność mechaniczną.
Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa
Politechnika Rzeszowska
Opracował: Adam Ustrzycki
Katedra Silników Spalinowych i Transportu
Ekstrapolacja polega na przedłuŜeniu do przecięcia z osią odciętych (mocy lub ciśnienia
uŜytecznego) części krzywej Ge = f (Ne). Punkt przecięcia wyznacza na osi odciętych ujemną
wartość mocy (ciśnienia uŜytecznego) równoznaczną z mocą oporów mechanicznych (ciśnieniem
strat mechanicznych). Sposób ekstrapolacji przedstawiono na rys. 1.
Ge
Nr
Ne
Ne
Rys.1. Sposób ekstrapolacji charakterystyki obciąŜeniowej w
celu określenia sprawności
mechanicznej silnika [5]
Moc indykowaną silnika określa się z wzoru:
Ni = Ne + N r
(5)
Skąd sprawność mechaniczna określona jest wzorem:
ηm =
Ne
Ne + Nr
(6)
gdzie:
Ne - moc uŜyteczna silnika,
Nr - moc strat mechanicznych.
Metoda ekstrapolacji moŜe być zastosowana do wyznaczenia sprawności mechanicznej
tylko wówczas, gdy w zakresie małych mocy charakterystyka Ge = f(Ne) jest zbliŜona do liniowej
umoŜliwiając jednoznacznie wyznaczyć kierunek przedłuŜenia.
Metoda obcego napędu
W metodzie obcego napędu określa się moc zewnętrzną potrzebną do uzyskania zadanej
prędkości badanego, wyłączonego z pracy silnika, uprzednio nagrzanego do właściwego stanu
cieplnego. Moc zewnętrzna (np. moc elektryczna pobierana przez będący źródłem napędu silnik
elektryczny) jest równa mocy strat mechanicznych badanego silnika spalinowego. Aby określić
jego sprawność mechaniczną, naleŜy po wyznaczeniu mocy strat określić z kolei moc uŜyteczną,
jaką przy pełnym obciąŜeniu rozwija ten silnik przy tej samej, co w próbie obcego napędu,
prędkości obrotowej.
Najkorzystniej jest wykonywać pomiary tą metodą na stanowisku hamownianym z
hamulcem prądnicowym. Wówczas w pierwszym etapie mierzy się moc uŜyteczną Ne silnika
spalinowego, stosując prądnicę jako hamulec, po czym wyłącza się zapłon w badanym silniku (lub
odcina dopływ paliwa do cylindrów) z jednoczesnym wykorzystaniem prądnicy jako silnika
elektrycznego i mierzy moc potrzebną do napędu silnika, przy tej samej, co poprzednio prędkości
obrotowej (Nzew =Nr) [1]. Sprawność mechaniczną określa się z wzoru (6).
Charakterystyka sprawności mechanicznej
Charakterystyka sprawności mechanicznej jest to charakterystyka przedstawiająca zaleŜność
sprawności mechanicznej ηm od prędkości obrotowej n, przy całkowicie otwartej przepustnicy w
silniku o zapłonie iskrowym lub przy skrajnym ustawieniu dźwigni sterowania, odpowiadającym
pełnej dawce paliwa w silniku o zapłonie samoczynnym.
Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa
Politechnika Rzeszowska
Opracował: Adam Ustrzycki
Katedra Silników Spalinowych i Transportu
Charakterystyka moŜe dodatkowo przedstawiać zaleŜność mocy oporów ruchu Nr i
średniego ciśnienia oporów ruchu pr od prędkości obrotowej silnika [5].
Charakterystyka sprawności
mechanicznej
Instytucja
Metoda..................................................................................................................................
Silnik...............................................................
Temperatura zasysania .........................
WyposaŜenie silnika......................................
Ciśnienie otoczenia ...............................
........................................................................
Współczynnik korekcji ..........................
ηm
n [obr/min]
Data
Wykonawca
Rys. 2. Charakterystyka sprawności mechanicznej [5]
Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa
Politechnika Rzeszowska
Opracował: Adam Ustrzycki
Katedra Silników Spalinowych i Transportu
Badania obejmują pomiary momentu obrotowego (siły obciąŜającej) podczas, pracy silnika
z pracującymi wszystkimi i kolejno wyłączanymi cylindrami. Pomiar momentu obrotowego
podczas pracy silnika z pracującymi wszystkimi cylindrami powinien być przeprowadzony przed
kaŜdym z pomiarów podczas pracy z kolejno wyłączanymi cylindrami oraz na końcu, po pomiarze
podczas pracy z wyłączonym ostatnim cylindrem. Wszystkie pomiary naleŜy przeprowadzać
bezpośrednio jeden po drugim. Praca silnika powinna odbywać się przy całkowicie otwartej
przepustnicy w silniku o zapłonie iskrowym lub przy skrajnym ustawieniu dźwigni sterowania,
odpowiadającym pełnej dawce paliwa w silniku w silniku o zapłonie samoczynnym i przy załoŜonej prędkości obrotowej, dla której ma nastąpić określenie sprawności mechanicznej.
W celu wykreślenia charakterystyki sprawności mechanicznej naleŜy przeprowadzać
pomiary momentu obrotowego jak podano wyŜej przy załoŜonych róŜnych wartościach prędkości
obrotowej silnika. Przykład charakterystyki sprawności mechanicznej przedstawiono na rys. 2.
Wyłączenie poszczególnych cylindrów z pracy powinno być uzyskane przez odłączenie
zapłonu i odcięcie dopływu paliwa (świeca zapłonowa wkręcona) o zapłonie iskrowym lub przez
odcięcie dopływu paliwa (wtryskiwacz wkręcony) w silniku o zapłonie samoczynnym.
W silniku gaźnikowym wyłączenie poszczególnych cylindrów z pracy powinno być
uzyskane tylko przez odłączenie zapłonu (dopływ paliwa nie jest odcięty).
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 2710-1: Silniki spalinowe tłokowe – Terminologia. Część 1: Terminy dotyczące
konstrukcji i pracy silnika. PKN, Warszawa 2007.
[4] PN-ISO 15550-1: Silniki spalinowe tłokowe – Określanie i metoda pomiaru mocy silnika –
Wymagania ogólne. PKN, Warszawa 2009.
[5] BN-81 1374-08: Silniki samochodowe – Badania stanowiskowe – Określenie sprawności
mechanicznej. Wydawnictwa Normalizacyjne, Warszawa 1981.
Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa
Politechnika Rzeszowska