Marek Idzior, Wojciech Karpiuk, Maciej Bieliski, Tomasz Borowczyk,
Pawe Daszkiewicz, Pawe Stobnicki
Politechnika Poznaska
KONCEPCJA STANOWISKA DO BADANIA
TURBOSPRAREK SILNIKÓW SPALINOWYCH
Rkopis dostarczono, czerwiec 2013
Streszczenie: Celem artykuu jest przedstawienie wybranych mo liwoci badania turbospr arek ukadu doadowania samochodowego silnika spalinowego w oparciu z wykorzystaniem wybranych testów i pomiarów. W drugiej czci zaprezentowano stanowisko badawcze wykorzystujce silnik tokowy jako wytwornic spalin oraz przedstawiono przykadowe wyniki.
Sowa kluczowe: turbospr arka, eksploatacja, stanowisko do bada
1. WSTP
Turbodoadowanie silnika spalinowego jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych sposobów poprawy wska ników pracy silnika przez wpywanie na: popraw sprawnoci ogólnej silnika, zwikszenie objtociowego i masowego wspóczynnika mocy (downsizing), zmniejszenie jednostkowej emisji toksycznych skadników splin itd. Z tego powodu prowadzi si badania m.in. z zakresu konstrukcji, produkcji, eksploatacji, recyclingu tych urzdze. Wiele uwagi powica si tak e wspópracy silnika z turbospr ark, sposobie regulacji mocy, wspópracy midzy ró nymi systemami doadowania.
Analiz teoretyczn i eksperymentaln prowadz zarówno orodki badawczo rozwojowe nale ce do firm bd konsorcjów zajmujcych si produkcj, jak i instytuty uczelniane.
W artykule, w oparciu o publikacje, przedstawiono wyniki symulacji i eksperymentów z omawianego zakresu, zaw ajc zainteresowanie poznawcze do wybranego elementu systemu doadowania jakim jest turbospr arka. Ukazane informacje z publikacji, uzyskano podczas bada nad silnikami spalinowymi maej i redniej mocy (stosowanymi w m.in. pojazdach samochodowych, lokomotywach).
Do bada prowadzonych nad turbospr arkami konstruuje si odpowiedniego rodzaju stanowiska. Powinny one spenia podstawowe wymagania badawcze tj.: rozpdzi wirnik turbospr arki do okrelonej (zadanej w okrelonych warunkach) prdkoci obrotowej,
dostarczy olej do smarowania o ysk, rejestrowa odpowiednie parametry fizyczne (temperatura, cinienie, drgania), wpywa na ukady regulacyjne itp. W artykule przedstawiono mo liwoci techniczne wybranego, istniejcego stanowiska badawczego oraz zakres prac wykonywanych przy jego u yciu.
2. ZAKRES PRZYDATNOCI STANOWISK DO BADA
TURBOSPRAREK
2.1. TWORZENIE CHARAKTERYSTYK PRZEPYWOWYCH
Charakterystyki sporzdza si przez pomiar ilorazu cinie statycznych za i przed opatkami turbiny czy spr arki oraz wyznaczenie strumienia masy czynnika przepywajcego przez opatki przy zadanych prdkociach obrotowych. Znamiennym, jest jednak fakt, e charakterystyka spr arki jest cile zale na od charakterystyki turbiny, ze wzgldu na mechaniczn czno pomidzy wirnikami obu maszyn. Przykadowo sporzdzone charakterystyki przedstawiono na rys. 1.
a) b)
Rys. 1. Charakterystyki przepywowe: a) spr arki, b) turbiny
Wykonywanie charakterystyk turbospr arek wykorzystuje si najczciej w ostatnim ogniwie procesu projektowania tych urzdze, gdzie istotne jest sprawdzenie doboru geometrycznych proporcji elementów skadowych takich jak wirniki czy korpusy. Ich sporzdzenie daje równie mo liwoci okrelenia granic dziaania turbiny czy spr arki. Dla turbiny okrela si limit zwizany przede wszystkim z wytrzymaoci
elementów oraz granic minimalnej sprawnoci izentropowej rozpr ania – tzw. granic zdawienia. Podobne parametry ekstremalne okrela si w odniesieniu do spr arek, z uwzgldnieniem tak e tzw. granicy pompa u wynikajcej z niemo liwoci spr ania zbyt maych strumieni masy czynnika. Sporzdzone charakterystyki koreluje si z odpowiednio okrelonymi parametrami pracy silnika spalinowego. Okrela si przede wszystkim tzw. linie zasysania silnika ilustrujce zapotrzebowanie silnika na powietrze.
2.2. BADANIA W OBRBIE UKADU SMAROWANIA
I OYSKOWANIA TURBOSPRARKI
Ze wzgldu na wspóprac ukadu turbospr arki z silnikiem spalinowym, w dobie zaostrzonych norm toksycznoci spalin bardzo istotnym parametrem jest ilo zu ywanego oleju podczas pracy turbospr arki. Badania mo na prowadzi dwojakimi drogami. W pierwszym przypadku stosujc separator oleju zainstalowany za spr ark. Bada dokonuje si w zale noci od obci enia i prdkoci obrotowej silnika. Przykadowe wyniki bada opisane w [1] wraz ze schematem ideowym przedstawiono na
rys. 2. Zaobserwowa mo na, e ilo oleju przedostajcego si przez o yska
turbospr arki po stronie spr arki silnie zale y od obci enia silnika.
a) b)
Rys. 2. Pomiar zu ycia oleju przez turbospr ark mierzony po stronie spr arki: a) schemat stanowiska, b) przykadowe wyniki
W drugim przypadku badania mo na prowadzi mierzc strumie zu ycia oleju metod wagow. Metoda wymaga skonstruowania niezale nego (od silnika) ukadu smarujcego wyposa onego w wag, mierzc ilo oleju gromadzcego si w zbiorniku. Metodologi tego typu wartociowania przedstawiono m.in. w publikacji [2] która zawiera badania firmy Agip Petrol. Schemat stanowiska do pomiaru zu ycia oleju przez turbospr ark, wraz z wynikami dla oleju mineralnego i syntetycznego przedstawiono na rys. 3. Z bada wynika, e zu ycie oleju przez turbospr ark w danych warunkach zmniejsza si o 25% na korzy stosowania oleju syntetycznego zamiast mineralnego.
a) b)
Rys. 3. Pomiar zu ycia oleju przez turbospr ark metod wagow: a) schemat stanowiska, b) przykadowe wyniki dla ró nego typu olejów
2.3. BADANIA NAD DRGANIAMI WIRNIKA TURBOSPRARKI
Z punktu widzenia naukowego i rozwojowego, kolejnym wa nym aspektem badawczym jest poznanie przemieszcze wirnika podczas pracy turbospr arki. Badania w tym zakresie mo na prowadzi dwoma drogami. W pierwszym przypadku wykorzystuje si badania optyczne przemieszcze wirnika, w drugim rejestruje si jego drgania.
Przykady bada nad przemieszczeniami promieniowymi wirnika przedstawione s w publikacji [3]. Dziki znacznikom odlegoci w postaci wierzchoków wkrtów rys. 4a mo liwe jest wyznaczenie ukadu odniesienia do bada prowadzonych poprzez filmowanie. Rejestrowano przemieszczenia zakoczenia wirnika od strony spr arki. Otrzymane wyniki obserwacji przedstawiono na rys. 4b, natomiast informacj ilociow o maksymalnych przemieszczeniach na rys. 4c.
a) b) c)
Rys. 4. Obserwacje promieniowego przemieszczenia wirnika turbospr arki metod optyczn: a) widok obiektu bada, b) monochromatyczny widok obserwacji, c) ilociowy wykres
Analogicznie do metody optycznej mo na wykorzysta metod pomiaru drga wasnych wirnika w oparciu o analiz yroskopow. Dyskusj na temat bada prowadzonych t metod zawarto w publikacji [4]. Schemat ideowy pomiaru przedstawiono na rys. 5. W analogii do metody optycznej, równie i tutaj dokonywano pomiaru w kocowej czci wau turbospr arki, od strony wirnika spr arki. Ró nica w zastosowanej metodzie, polega na okrelaniu mikroprzemieszcze w paszczy nie x i y. Analizujc odpowiednie przemieszczenia punktu pomiarowego (rys. 5), mo na okrela ródo pochodzenia sygnaów drganiowych, odpowiedzie na pytania, czy dane przemieszczenie wynika z ugicia wau wirnika, czy np. zjawisk zachodzcych w o yskach.
Z punktu widzenia naukowego i rozwojowego, kolejnym wa nym aspektem badawczym jest poznanie przemieszcze wirnika podczas pracy turbospr arki.
a) b)
Rys. 5. Pomiar drga wasnych wirnika turbospr arki metod yroskopow: a) schemat ideowy, b) interpretacja otrzymanych wyników
2.4. WSPÓPRACA TURBOSPRARKI Z DODATKOWYMI
ODBIORNIKAMI MOCY
W turbospr arce mechaniczne sprz enie wspólnym waem spr arki i turbiny pozwala praktycznie bezstratnie przenie moment obrotowy z turbiny na spr ark. Problematyczne jest natomiast sprostanie wymaganiu, stawianemu przez silnik spalinowy, polegajcemu na zmiennym zapotrzebowaniu na doadowanie w ró nych warunkach i stanach pracy. Czciowo stosuje si regulacj przepywow (m.in. upustow bd zmienn geometri kierownicy), lecz zapotrzebowanie na precyzyjn regulacj wzrasta. Istniej równie koncepcje wykorzystania energii spalin do wytwarzania prdu elektrycznego. W odpowiedzi na te zagadnienia badawcze stwierdza si dwie podstawowe mo liwoci. Po pierwsze rezygnacj z mechanicznej koneksji turbiny i spr arki, po drugie wprowadzenie dodatkowego urzdzenia wspópracujcego z wirnikiem turbospr arki. W odniesieniu do pierwszego zagadnienia, w publikacji [5] przedstawiono informacje dotyczce fizycznej realizacji zao enia oddzielenia turbiny od spr arki. W opisywanym przypadku, turbina za porednictwem przekadni redukujcej prdko obrotow napdza synchroniczny generator prdu (rys. 6a). Spr arka natomiast napdzana zostaje przy pomocy elektrycznego silnika prdu staego, tak e poprzez przekadni (rys. 6b). Rozwizanie takie posiada ponadto zalet, wykorzystania wytworzonego prdu nie tylko
do napdu spr arki, ale te innych odbiorników, mo e by magazynowany w superkondensatorach czy akumulatorze.
a) b)
Rys. 6. Schemat rozdzielenia mechanicznego sprz enia turbiny i spr arki: a) generacja prdu przez turbin, b) napd elektryczny spr arki
W odniesieniu do drugiego przypadku, informacje mo na znale w studium opublikowanym w [6]. W tym przypadku nie rezygnuje si z rozdzielenia mechanicznego turbiny i spr arki, a wprowadza si dodatkowy element pomidzy turbin, a spr ark. Elementem tym jest ultra szybki, bezszczotkowy silnik elektryczny z magnesami trwaymi z mo liwoci pracy jako generator. Z jednej strony wykorzystuje on nadwy k mocy wytwarzan przez turbin, z drugiej strony wspomaga szybsze osignicie prdkoci obrotowej turbospr arki. W przedstawionym rozwizaniu silnik by zdolny do wytworzenia w warunkach znamionowych ok. 2 kW mocy (rys. 7).
a) b)
Rys. 7. Monta dodatkowego silniko-generatora elektrycznego na wale turbospr arki: a) schemat stanowiska, b) charakterystyka mocy wyjciowej generatora w zale noci od prdkoci
2.5. BADANIA EKSPLOATACYJNE
Ze wzgldu na niekorzystne warunki pracy turbospr arek, m.in. wysok temperatur spalin, bardzo wysokie prdkoci obrotowe dochodzce do 250 000 obr/min, precyzyjn konstrukcj oraz utrudnion zabudow, podczas eksploatacji nara one s na uszkodzenia i awarie.
Dysfunkcj turbospr arek mo na podzieli ze wzgldu na genez ich powstawania, które spowodowane s midzy innymi przez:
• spadek cinienia oleju lub chwilowy jego brak (rys. 8a), • przerw w dostawie oleju,
• u ycie oleju zej jakoci,
• przegrzanie (rys. 8b),
• ciao obce, które przedostao si do kolektora dolotowego (rys. 9).
Turbospr arka smarowana jest olejem pochodzcym z magistrali olejowej silnika zatem, waciwoci oleju na skutek jego pracy w warunkach silnikowych pogarszaj si. Lubrykant w swej objtoci posiada mo e stae makroczstki (np. produkty zu ycia ciernego elementów silnika, produkty zu ycia korozyjnego etc.), które skrawaj, rysuj, bruzduj warstwy wierzchnie wzów smarnych.
a) b)
Rys. 8. Uszkodzenia elementów turbospr arek wywoane spadkiem cinienia oleju: a) trwae znieksztacenia, rysy w obrbie o ysk, b) przegrzany wa wirnika
Przegrzanie elementów turbospr arki ma zasadniczo dwa róda: zbyt wysoka
temperatura spalin (dla silników ZS > 850 ºC, dla ZI > 1050 ºC) oraz nage
unieruchomienie silnika poprzedzone jazd ze znacznym obci eniem i wysok prdkoci obrotow. Gorce spaliny silnie nagrzewaj (zwaszcza na drodze przewodzenia) elementy turbospr arki – w szczególnoci eliwnego korpusu turbiny, a tak e korpusu rodkowego.
Mechanizm uszkodze spowodowanych przez przedostanie si ciaa obcego do ukadu dolotowego lub wylotowego jest erozyjny, zale y od wielkoci tego ciaa, które wchodzi w reakcj z rozpdzonymi opatkami wirnika. Nawet najmniejszy element niesiony wraz ze strumieniem spalin lub powietrza trafiajc na koo wirnikowe, w wyniku znacznej energii strumienia gazu, silnie oddziauje z opatkami.
a) b)
Rys. 9. Uszkodzenia elementów turbospr arek wywoane spadkiem cinienia oleju: a) trwae znieksztacenia, rysy w obrbie o ysk, b) przegrzany wa wirnika
Istnieje ekonomicznie uzasadniona potrzeba bada turbospr arek, które w trakcie eksploatacji ulegaj awariom ró nego typu. Szybka reakcja na dysfunkcje gównego elementu ukadu doadowania silnika skutkuje minimalnym nakadem kosztów, poniewa w pierwszej fazie awarii uszkodzeniu ulega najczciej ukad o yskowania wau turbospr arki. Nie ma informacji ilociowych o procesie niszczenia tych podzespoów. Istnieje luka w opisie zjawisk towarzyszcym uszkadzaniu si turbospr arek. Brak jest czujników, które mogyby dostarczy kierowcy informacji o stanie technicznym najistotniejszego elementu w ukadzie doadowania silnika. Brak jest systemów diagnozujcych parametry doadowania podczas pracy silnika. Powszechnie wiadomo, i zniszczenia maj charakter erozyjny, lawinowy, a cakowita destrukcja nastpuje gwatownie.
3. OPIS STANOWISKA DO BADA TURBOSPRAREK
Do napdu turbospr arki wykorzystuje si strumie gorcych gazów pochodzcych z komory spalania silnika spalinowego, bdcy wytwornic spalin. Schemat dziaania ukadu przedstawiono na rys. 10.b. Powietrze wraz z paliwem dostarczane jest do komory spalania silnika spalinowego „SSp”, gdzie nastpuje spalanie mieszanki. Po spaleniu, gazy trafiajce na opatki wirnika turbiny wprowadzajc w ruch ukad turbosprzarki. Spr one powietrze nie jest w aden sposób dalej wykorzystywane, ukad nie jest poczony z ukadem dolotowym silnika. Ukad wylotowy silnika spalinowego poczony jest w instalacj wylotow laboratorium.
a) b)
Rys. 10. Stanowisko badawcze; a) widok, b) schemat ideowy
Wytwornica spalin zastosowana do napdu turbospr arki: silnik typu Fiat 1,2 dm3 MPFI o nastpujcych parametrach konstrukcyjnych i operacyjnych:
Tablica 1
Charakterystyka stanowiska badawczego
Wytwornicaspalin: FiatMPFI1,2dm3 Moc:52kW/6000min1 Momentobrotowy102Nm Ilocylindrów:4 Badanyobiekt: Turbospr arka GarrettGT1544V
Silnik badawczy zamontowany zosta na hamownianym stanowisku badawczym wyposa onym w elektrowirowy hamulec typu AMX 210/100 (Pmax = 100 kW, Mo-max = 240 Nm, nmax = 10000 obr/min). Stanowisko wyposa ono w wagow miernic paliwa AMX 212, ukad chodzenie powietrza doadowanego oraz komputer do rejestracji wyników pomiarów w sposób dynamiczny.
Do prowadzenia pomiarów wykorzystano:
x iOTech Personal Daq/3000 – 2 x 4 kanay cyfrowe;
x Turbo Speed Sensor (AVL) – pomiar prdkoci obrotowej turbospr arki;
4. METODYKA I PRZEBIEG BADA
Zastosowan metod badawcz byy pomiary bezporednie na stanowisku hamownianym w warunkach zmiennych prdkoci obrotowych oraz obci enia wytwornicy spalin dla trzech zakresów pracy. Wykorzystano w nich dynamiczny zapis cyfrowy mierzonych wielkoci, przetwarzanie komputerowe danych cyfrowych i poszukiwanie korelacji pomidzy zmianami charakterystycznych wielkoci dla okrelenia
wpywu zmian wybranych parametrów pracy silnika na prdko obrotow wau turbospr arki.
Do analizy wybranych mo liwoci badawczych stanowiska do rozpdzania turbospr arek wykonano pomiary nastpujcych wielkoci fizycznych:
1. Prdko obrotowa wytwornicy spalin – Automex, 2. Obci enie wytwornicy spalin – Automex,
3. Prdko obrotowa wau turbospr arki – TurboSpeed sensor,
4. Temperatury w kanaach dolotowych i wylotowych spr arki – termopara typu K, 5. Temperatury w kanaach dolotowych i wylotowych turbiny – termopara typu K, 6. Cinienia w kanaach dolotowych i wylotowych turbiny – czujnik ró nicowy G450, 7. Cinienia w kanaach dolotowych i wylotowych turbiny – czujnik ró nicowy G450. Parametry prdkoci, cinie oraz temperatur rejestrowano z czstotliwoci 1 Hz. Pomiary prowadzono w warunkach staych prdkoci obrotowych oraz obci e dla wybranych punktów pracy. Temperatury pynów eksploatacyjnych byy na poziomie: ciecz
chodzca 90oC, olej 85oC i w trakcie bada nie zmieniay si. Temperatura otoczenia:
5 oC, cinienie 1025 hPa.
5. DYSKUSJA WYNIKÓW
Przeprowadzony eksperyment pozwoli na rozpdzenie turbospr arki do maksymalnej prdkoci rzdu 100 tys. obr/min, przy czym dla zadanych parametrów prdkoci obrotowych silnika (wytwornicy spalin) na poziomie 4000 obr/min i obci enia równego 60 N•m jest to poowa maksymalnych prdkoci nominalnie pracujcej turbospr arki Garrett GT 1544V zamontowanej na silniku (rys. 11).
Rys. 11. Zale no prdkoci obrotowej wau turbospr arki w funkcji prdkoci obrotowej i obci enia silnika
Powszechnie wiadomy fakt, i entalpia spalin wzrasta proporcjonalnie do prdkoci przepywu strumienia gazu, który cile skorelowany jest z prdkoci obrotow silnika spalinowego i jego obci enia pozwala zauwa y zale no pokazan na rys. 11. Godnym uwagi jest te fakt, i to samy zakres prdkoci obrotowych wau turbospr arki uzyska mo na zwikszajc obci enie silnika, zmniejszajc jednoczenie jego prdko obrotow, tj. 20 N•m przy 4000 obr/min, 40 N•m przy 3000 obr/min oraz 60 N•m przy 2000 obr/min. Podczas bada turbospr arek kluczowe mo e okaza si zjawisko uzyskania w skutek zmian parametrów prdkoci oraz obci enia silnika, tej samej prdkoci obrotowej wau turbospr arki co skutkowa bdzie równym (dla wszystkich trzech przypadków) stopniem doadowania przy zupenie odmiennych wartociach napr e cieplnych oraz mechanicznych ukadu doadowania (rys. 12).
Rys. 12. Wpyw obci enia silnika na ró nic temperatur przed i za turbospr ark
Ró nica temperatur gazów spalinowych przed i za turbin przy zmianie obci enia
silnika od 20 do 60 N•m waha si w granicach 120-180 oC. Przedstawione pomiary
wykonane zostay w warunkach staych prdkoci obrotowych silnika na poziomie 2000 obr/min.
6. PODSUMOWANIE
Z powy ej przedstawionej analizy wynika, i nad turbospr arkami prowadzi si badania w szerokim zakresie prac. Coraz powszechniej prowadzi si wartociowanie wspópracy turbospr arki, lub samej turbiny z odbiornikami mocy (generator).
Ze wzgldu na powszechno stosowania turbospr arki wiele uwagi powica si wspópracy tego elementu z silnikiem spalinowym w badaniach eksploatacyjnych uwzgldniajc procesy niszczce. Omówione zakresy badawcze mo na przeprowadzi dziki odpowiednim stanowiskom. Do bada eksploatacyjnych najlepiej wykorzysta silnik spalinowy jako wytwornic spalin. Wa ne jest jednak, e zastosowany silnik do budowy stanowiska nie posiada turbodoadowania, a stanowisko wyposa one byo w niezale ny ukad smarowania badanej turbospr arki.
Uzyskane wyniki peni funkcj identyfikacji oraz sprawdzenie poprawnoci dziaania stanowiska badawczego i bd stanowiy to porównawcze dla podobnych bada.
Wykorzystana metoda badawcza zostaa pozytywnie zweryfikowana i mo e zosta wykorzystana w dalszych badaniach turbospr arek.
Bibliografia
1. Delvigne T.: Oil Consumption Sources in a Modern Gasoline Engine Including Contribution of Blow-by Separator and Turbocharger: An Experimental Study Based on the Use of Radiotracers. SAE Technical Paper, 2010-01-2256.
2. Manni M., Carriero M., Roselli A.: A Study of Oil Consumption on a Diesel Engine with Independently Lubricated Turbocharger. SAE Technical Paper, 2002-01-2730.
3. Pastor J., Serrano J., Dolz V, Lopez M, Bouffaud F.: Study of turbocharger shaft motionby means of non-invasiveoptical teniques: Application to the behavior analysis in turbocharger lubrication failures. Mechanical Systems and Signal Processing 32 (2012) p. 292–305.
4. Schweizera B., Sievertb M.: Nonlinear oscillations of automotive turbocharger turbines. Journal of Soundand Vibration 321 (2009) p. 955–975.
5. Xiaobin Y., Zheng Z.: With the electrical properties of a new turbocharger. IEEE Technical Paper, 2010 p. 3465 - 3468.
6. Noguchi T., Takata Y., yamashita Y.:220,000-r/min, 2-kW PM Motor Drive for Turbocharger, Electrical Engineering in Japan, Vol. 161, No. 3, 2007.
7. Turbocharger Test Stand with a Hot Gas Generator for High-Performance Supercharging Systems - MTZ 10I2008 Volume 69.
8. Filho F., Valle R., Barros J., Hanriot S.: Automotive Turbocharger Maps Building using a Flux Test Stand. SAE Technical Paper, 2002-01-3542.
9. Griffith R., Mavrosakis P.,: Ball Bearings to the Series Turbochargers for the Caterpillar Heavy-Duty On-Highway Truck Engines, SAE Technical Paper, 2007-01-4235.
TEST BENCH FOR COMBUSTION ENGINES TURBOCHARGERS CONCEPTION Summary: The purpose of this article is to present selected research opportunities as a key element of turbochargers boost the combustion engine based on specific descriptions of the performed tests and measurements. The second part presents the test stand using a piston engine as a gas generator and presents sample results. Were used in the analysis of literature in this area and its own research practice.
