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 ) .
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.
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
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.
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,
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 .
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.