• Nie Znaleziono Wyników

Analiza doboru parametrów niezbędnych do określenia bilansu energii silnika spalinowego

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "Analiza doboru parametrów niezbędnych do określenia bilansu energii silnika spalinowego"

Copied!
7
0
0

Pełen tekst

(1)

Ś in a : TR A N SPO R T z.48 N r kol. 1604

Jarosław K O B R Y Ń , K rystian W IL K

a n a l i z a d o b o r u p a r a m e t r ó w n i e z b ę d n y c h

DO OKREŚLENIA BILANSU ENERGII SILNIKA SPALINOWEGO

Streszczenie. W p racy przedstaw iono analizę param etrów pracy silnika spalinow ego o zapłonie iskrow ym . P aram etry te podzielono ze w zględu na ich zm iany w czasie oraz sposób m onitorowania. Rodzaj pom iaru oraz sposób jeg o m onitorow ania w pływ a nie tylko na dokładność uzyskanych w yników , ale i koszt planow anych badań. U doskonalanie sposobów m onitorowania p aram etrów w iąże się głów nie z postępem techniki kom puterow ej i inform atycznej.

A N A L Y S IS O F V A R IA B L E S C H O IC E N E C E S S A R Y TO D E S C R IB E E N E R G Y B A L A N C E O F M O T O R C A R E N G IN E

Sum m ary. T he p ap er presents variables analysis o f w ork o f m otor ca r engine w ith spark ignition. The variables are divided reg ard in g their changeableness in tim e and the w ay o f monitoring. The type o f testing and the w a y o f its m onitoring concerns not only the precision o f results but also the expenses o f the research. Im provem ent o f the w ays o f variables m onitoring is m ain ly bound to the p ro g re ss in com puter science and technology.

1. W PR O W A D ZEN IE

D obranie w łaściw ej grupy p aram etró w pracy silnika spalinow ego um ożliw ia określenie jeg o bilansu energii. O gó ln y d o b ó r param etrów zależy od rodzaju silnika.

W silniku o zapłonie sam oczynnym w ybiera s ię inne param etry n iż w silniku o zapłonie iskrowym. W łaściw e badania w ykonuje są n a ham ow niach silnikow ych, na kom pletnym pojeździe, m ogącym znajdow ać się n a h a m o w n i podw oziow ej, oraz n iezm iernie rzadko na pojeździe w ruchu.

Rodzaj pom iaru oraz sposób je g o m o n ito ro w a n ia w pływ a nie tylko na dokładność uzyskanych w yników , ale i na k o szt p la n o w a n y c h badań. U doskonalanie sposobów m onitorowania param etrów w iąże się g łó w n ie z postępem techniki kom puterow ej i informatycznej w ym uszającej zm ianę sto so w a n y c h analogow ych lub cyfrow ych urządzeń pomiarowych na dokładniejsze m o n ito ro w an ie kom puterow e. To z kolei pociąga za sobą ciągle ulepszanie oprogram ow ania do rejestracji i archiw izacji danych.

2. RODZAJ P A R A M E T R Ó W

A nalizę przeprow adzono dla silnika o z a p ło n ie iskrow ym . W badaniach silnika należy ustalić dw ie grupy param etrów : nastaw iane i rn ie rz o n e . P aram etry nastaw iane m u szą mieć wartość niezm ienną podczas całego z a ło ż o n e g o cyklu badaw czego. P aram etry z tej grupy dotyczą nie tylko silnika, ale tak że otoczenia ( r y s . l ) .

(2)

92 J. K obryń, K. W ilk

Rys. 1. Przyjęty podział param etrów nastaw ianych Fig. 1. The appointed d ivision o f set variables

W silniku m o g ą to być prędkość obrotow a, m om ent zapłonu, stopień otw arcia przepustnicy czy obciążenie silnika. Prędkość obrotow ą nastaw iam y za p o m o cą przepustnicy, m om ent zapłonu na aparacie zapłonow ym , a obciążenie silnika zadajem y na urządzeniu ham ow nianym .

Param etry o to cze n ia m ożem y założyć jak o stałe tylko w kom orze klim atycznej. Są nimi tem peratura o toczenia i w ilgotność pow ietrza.

W drugiej grupie param etrów - m ierzonych założono p o d ział na param etry tem peratury, ciśnienia o raz inne (rys.2).

Pom iaru tem peratury m o żn a dokonyw ać praw ie w każdym m iejscu badanego silnika.

Jeden param etr m oże być b adany w kilku punktach pom iarow ych. Począw szy od nieskom plikow anego pom iaru tem peratury oleju, paliw a, cieczy chłodzącej w silniku i chłodnicy, term ostatu, k ad łu b a silnika, głow icy, poprzez trudniejszy p o m iar tem peratury, oleju w głow icy, w ału korbow ego, korbow odu, katalizatora, kanałów ssących, kanałów w ydechow ych, kolektora ssącego, kolektora w ydechow ego, cylindra, spalin w kanale w ydechow ym aż po skom plikow ane pom iary tem peratury w kom orze spalania, tem peratury tłoka, cylindra w ko m o rze spalania, głow icy w kom orze spalania, grzybków zaw orów ssących, grzybków zaworów? w ydechow ych czy pow ietrza w kanale ssącym . Jak w idać, najtrudniejszym i pom iaram i są p om iary w ykonyw ane w kom orze spalania.

Ciśnienie, podobnie ja k tem peraturę, m ożna m ierzyć w dow olnym m iejscu badanego silnika. Od prostych p om iarów ciśnienia pow ietrza w skrzyni korbow ej, ciśnienia oleju czy cieczy chłodzącej p o p rzez pom iar ciśnienia przed przepustnicą, w kanale ssącym , w kanale w ydechow ym , przed, w i za katalizatorem aż do skom plikow anych pom iarów ciśnienia w cylindrze, a głów nie w kom orze spalania.

W grupie nazw anej „inne” znajdują się pozostałe param etry m ierzone, tak ie jak:

zużycie paliw a, w agow e zużycie paliw a, analiza składu m ieszanki, analiza składu chem icznego paliw a, an aliza spalin, analiza spalin p rzed katalizatorem , n atężenie przepływ u pow ietrza, natężenie p rzep ły w u spalin, w ilgotność spalin, ubytek oleju, uby tek cieczy chłodzącej, napięcie i n atężenie zapłonu, czas trw ania iskry, m oc, m om ent obrotow y, stopień obrotu wału korbow ego.

(3)

W K O M O R Z E SPA L A N IA

C Y L IN D R A

C Y L IN D R A W K O M . SPA L.

G Ł O W IC Y

G Ł O W IC Y W K O M . SPA L.

G R Z Y B K Ó W Z A W . SSĄC.

G R Z Y B K Ó W Z A W . WYD.

K A N A ŁÓ W S SĄ C Y C H K A N A ŁÓ W W YD.

K O L E K T O R A S S Ą C E G O K O L E K T O R A W Y D . K A T A L IZ A T O R A P A L IW A

P O W IE T R Z A W K A N . SSĄ KA D ŁU BA

K O R B O W O D li W A ŁU K O R B O W E G O O L E JU

O L E JU W G Ł O W IC Y C IE C Z Y C H Ł O D Ź . W SILN, C IE C Z Y C H Ł O D Ź . W C H Ł . T E R M O S T A T U

SPA L IN W KA N . W YD .

PA R A M E T R Y M IE R Z O N E

T E M P E R A T U R Y C IŚ N IE N IE IN N E

( PO W IE T R Z A W KA DŁUB.

' W K O M O R Z E SPA LA N IA

W C Y L IN D R ZE W K A N A LE SSĄCYM W K A NA LE WYD.

PR Z E D K A T A L IZ A T O R E M ZA K A T A L IZ A T O R E M PR ZED P R Z E PU ST N IC Ą C IE C Z Y C H Ł O D Z Ą C E J

^ Z U Ż Y C I E P A L IW A W A G O W E Z U Z Y C IE PAL.

A N A L IZ A SK ŁA D U M IE S Z . AN A L. SK Ł . C H E M . PAL.

A N A L IZ A SPA LIN AN. SPA L. PR Z E D K A T AL.

N A T Ę Ż . P R Z E P Ł . PO W . N A T Ę Ż . P R Z E P Ł . SPA L IN W IL G O T N O Ś Ć SPA LIN U B Y T E K O L E JU U B Y T E K C IE C Z Y C H Ł . N A T Ę Ż . PR Ą D U ISKJRY N A P IĘ C IE ISK R Y C Z A S T R W A N IA ISK R Y

M O M E N T O B R O T O W Y

° O W K

Rys. 2. Przyjęty podział p aram etrów m ierzonych Fig. 2. The appointed division o f m easured variables

3. C H A R A K TER PA R A M E T R U

Założono dw a ro d zaje charakteru param etru: ustalony i nieustalony (rys.3).

CHARAKTER PARAMETRU

C ^ T s t a l o n y C ^M E U S T A L O N Y ^^

Rys. 3. Założone rodzaje charakteru param etru Fig. 3. The accepted types o f v ariab les' character

Param etr je s t ustalony, je ż e li je s t param etrem nastaw ianym lub jeg o w ielkość je st prawie stała w czasie badań. W yodrębniono ustalony charakter z grupy param etrów mierzonych: m om ent obrotow y, an aliza składu m ieszanki, analiza składu chem icznego

(4)

94 J. K obryń, K. Wilk

paliwa, analiza spalin, analiza spalin przed katalizatorem , m oc silnika, w ilgotność spalin, stopień obrotu w ału korbow ego, zużycie paliw a, w agow e zużycie paliw a.

Param etr m a charakter nieustalony, jeże li m oże w ystąpić jeg o zm iana w czasie.

W grupie param etrów nastaw ianych (z definicji) żaden nie m a takiego charakteru.

Param etrami m ierzonym i o charakterze nieustalonym są w szystkie param etry tem peratury i param etry ciśnienia oraz natężenie przepływ u pow ietrza, natężenie przepływ u spalin, ubytek oleju, ubytek cieczy chłodzącej, natężenie i napięcie zapłonu, czas trw ania iskry.

4. SPOSÓB M O N IT O R O W A N IA

Z ałożona dokładność param etru zależy od odpow iedniego doboru sposobu m onitorowania. P ow szechnie stosow any je st układ czujnik - przetw ornik elektryczny - urządzenie odczytow e. M onitorow anie param etru pod w zględem odczytu podzielono na analogow e i cyfrow e (rys.4).

BADANY

SILNIK CZUJN IK > PRZETW ORNIK

URZĄDZENIE ODCZYTOWE - an alogow e - cyfrow e

tr Rys. 4. M onitorow anie p aram etru

Fig. 4. V ariables m onitoring

O dczytu tego dokonujem y zw ykle na polu odczytow ym , czyli w yśw ietlaczu urządzenia pom iarow ego. C yfrow ego odczytu dokonujem y na kom puterze za pom ocą odpow iedniej karty PC oraz oprogram ow ania do odczytu i archiw izacji danych.

Przy niew ielkich zm ianach w ielkości param etru w czasie oraz zm ianach zachodzących dość w olno m ożem y zastosow ać analogow e urządzenie pom iarow e. P rędkość obrotow a i wilgotność pow ietrza to param etry nastaw iane zakw alifikow ane do tego rodzaju pomiaru.

Param etry m ierzone za p o m o c ą analogow ego urządzenia pom iarow ego to: w agow e zużycie paliwa, m om ent obrotow y, tem peratury: paliw a, kadłuba, korbow odu, w ału korbow ego, oleju, cieczy chłodzącej w silniku, cieczy chłodzącej w chłodnicy, term ostatu, ciśnienie oleju, ciśnienie cieczy chłodzącej, analiza składy m ieszanki, analiza składu chem icznego paliwa, analiza spalin, analiza spalin przed katalizatorem , m oc silnika, w ilgotność spalin, ubytek oleju, ubytek cieczy chłodzącej. Jednak przy param etrach, których w ielkości zm ien iają się dość szybko, urządzenie to staje się m ało dokładne. Szybkość ręcznego notow ania w yników z takiego urządzenia w ynosi około kilkanaście sekund. T rudny do ustalenia je s t też odstęp czasu notow anych w yników pom iarów .

Cyfrow y (kom puterow y) odczyt w yników pom iarów pozw ala z d u ż ą dokładnością śledzić naw et bardzo gw ałtow ne ich zm iany. C iągle udoskonalany je s t nie tylko elem ent przetw arzający - k arta P C , ale przede w szystkim udoskonalane są program y m ogące sterować zm ianam i param etrów . T en rodzaj m onitorow ania m o żn a zastosow ać do b ad an ia w szystkich param etrów.

5. K RY TER IU M D O B O R U

G łów nym kryterium doboru param etrów do badań był bilans energii w dw ustrefow ym m odelu spalania. Z akłada on p o d ział kom ory spalania na dw ie strefy oddzielone od siebie nieskończenie cienkim frontem płom ienia [1], W poszczególnych strefach wartości tem peratur są je d n o ro d n e , tem peratura frontu płom ienia je s t rów na tem peraturze spalin.

(5)

Rys. 5. Składniki bilansu energii w poszczególnych strefach Fig. 5. The com ponents o f each zone balance o f energy

Model tw orzą rów nania dla elem entarnego kąta dtp obrotu w ału korbow ego:

- bilans energii strefy niespalonej (m ieszanki)

dQ = dU u + d lu + pdV u + dQm ( 1)

- bilans energii frontu spalania

d lu ~ d lb + dQ (2)

- bilans energii strefy spalonej (spalin)

d lb = d U b + pdV b +dQ wb (3)

- termiczne rów nania stanu stre f

P K = G „ R J „ (4)

P Vb = G bRbTb (5)

- równania bilansu substancji i objętości

G = GU+ G b (6)

K = K + v b (?)

- stopień w ypalenia ładunku

G

stopień w yzw olenia energii chem icznej zawartej w paliw ie y = x

gdzie:

Wrrdu;

(

8

)

(9)

Uu, Ub - energia w ew nętrzna (fizyczna i chem iczna) m ieszanki i spalin, lu, Ib - entalpia (fizyczna i chem iczna) m ieszanki i spalin,

Tu, Tb - tem peratura strefy m ieszanki i spalin, Vu, Vb - objętość chw ilow a strefy m ieszanki i spalin,

(6)

96 J. K obryń, K. Wilk

Vj - objętość chw ilow a przestrzeni roboczej w cylindrze, p - ciśnienie p anujące w cylindrze,

Q - ciepło dopływ ające do strefy m ieszanki od frontu płom ienia,

Qwu, Qwb - ciepło dopływ ające do ścian kom ory spalania (głow ica, tłok, tuleja) ze strefy m ieszanki i spalin,

G u, Gb - m asa substancji m ieszanki i spalin na cykl, G - m asa ładunku na cykl,

x - stopień w ypalenia ładunku,

y - stopień w y zw o len ia energii chem icznej zaw artej w paliw ie, Wdu, Wdb - w artość opałow a m ieszanki i spalin.

M ieszankę i sp alin y traktujem y jak o gazy półdoskonate. E nergię ch em iczn ą m ieszanki i spalin (niespalonych zupełnie) w yrażono za p om ocą w artości opałow ej.

6. PO D SU M O W A N IE

Za param etr n astaw iany uznano prędkość o brotow ą (charakter ustalony) m onitoro­

w aną analogow ym u rządzeniem pom iarow ym . W ybranym i param etram i m ierzonym i są:

- tem peratura p o w ietrza w kanale ssącym (charakter nieustalony) m onitorow ana kom puterow o,

- tem peratura spalin w k an ale w ydechow ym (charakter nieustalony) m onitorow ana kom puterow o,

ciśnienie w cylindrze (charakter nieustalony) m onitorow ane kom puterow o, - ciśnienie w kanale ssącym (charakter nieustalony) m onitorow ane kom puterow o,

ciśnienie w k anale w ydechow ym (charakter nieustalony) m onitorow ane kom puterow o, ciśnienie za k atalizatorem (charakter nieustalony) m onitorow ane kom puterow o,

- zużycie p aliw a (charakter ustalony) m onitorow ane analogow ym urządzeniem pom iarow ym ,

w agow e zużycie p aliw a (charakter ustalony) m onitorow ane analogow ym urządzeniem pom iarow ym ,

analiza składu chem icznego p aliw a (charakter ustalony) m onitorow ana analogow ym urządzeniem pom iarow ym ,

analiza składu m ieszanki (charakter ustalony) m onitorow ana cyfrow ym urządzeniem pom iarow ym ,

analiza spalin p rzed katalizatorem (charakter ustalony) m onitorow ana analogow ym urządzeniem pom iarow ym ,

analiza spalin (charakter ustalony) m onitorow ana analogow ym urządzeniem pom iarow ym ,

- natężenie przepływ u p o w ietrza (charakter nieustalony) m onitorow ane kom puterow o, - natężenie przepływ u spalin (charakter nieustalony) m onitorow ane kom puterow o, - moc (charakter ustalony) m onitorow ana analogow ym urządzeniem pom iarow ym , - m om ent obrotow y (charakter ustalony) m onitorow any analogow ym urządzeniem

pom iarow ym ,

- stopień obrotu w ału korbow ego (charakter ustalony) m onitorow any analogow ym urządzeniem pom iarow ym .

(7)

L itera tu ra

] Maćkowski J., W ilk K.: T he effect o f the m ixture and flam e front initial tem perature on the heat am ount flow ing betw een zones in the com bustion engine. 1 2lh international symposium on com bustion processes. B ielsko Biała, Poland 1991.

Recenzent: Prof. dr hab. inż. Stefan Postrzednik

Abstract

The paper presents variables analysis o f w ork o f m otor car engine w ith spark ignition.

The variables are divided regarding their changeableness in tim e and the w ay o f m onitoring.

The division helped to specify a collection o f variables to be analysed in order to describe the energy balance in m o to r-car engine. T he precision o f the research results is m ainly bound to the accurate choice o f the m onitoring type and the softw are w hich is used recording and data logging.

Artykuł stanowi sprawozdanie z realizacji pracy B W -452/RT1/2003.

Cytaty

Powiązane dokumenty