T_12 Silnik

T-12. BADANIE SILNIKA SPALINOWEGO O ZAPŁONIE ISKROWYM

Str.2/30

BADANIE SILNIKA SPALINOWEGO O ZAPŁONIE ISKROWYM

1.CEL ĆWICZENIA

Najczęściej celem badania silnika samochodowego jest:

•

opracowanie charakterystyk silnika,

•

sporządzenie bilansu energetycznego,

•

pomiar niektórych, szczególnie interesujących wielkości, np. : jednostkowego zużycia paliwa, zużywania się części
silnika, badanie przeciążalności silnika w wyjątkowo trudnych warunkach pracy, itp.

Aby wykonać tak postawione zadanie, należy zmierzyć pewne wielkości charakterystyczne i ustalić związki, jakie
między nimi zachodzą. W przypadku opracowywania charakterystyk silnika i sporządzania jego bilansu energetycznego,
mierzonymi lub wyznaczanymi wielkościami są:

•

moc użyteczna (ewentualnie indykowana),

•

prędkość obrotowa wału napędowego,

•

moment obrotowy,

•

zużycie paliwa,

•

zużycie jednostkowe paliwa,

•

straty (chłodzenia, odlotowa i inne),

•

ustawienie kąta zapłonu,

•

skład paliwa,

•

skład spalin.

Niektóre z wymienionych wielkości mierzy się bezpośrednio, inne oblicza się podstawiając do odpowiednich wzorów
inne wielkości, które należy zmierzyć. Celem ćwiczenia jest więc przeprowadzenie pomiarów koniecznych do
wyznaczenia podstawowych charakterystyk silnika spalinowego i sporządzenia jego bilansu energetycznego.

2.WIADOMOŚCI PODSTAWOWE

2.1. WSTĘP

Silnik jest to maszyna przetwarzająca różne rodzaje energii na pracę mechaniczną w sposób ciągły lub okresowy. Silnik
wykonujący  pracę  kosztem  energii  cieplnej  doprowadzonej  z  zewnątrz  lub  uwolnionej  w  czasie  procesu  spalania
wewnątrz  komory  silnika  nazywany  jest  silnikiem  cieplnym.  Silniki  cieplne  spalinowe  są  to  silniki  cieplne  o  spalaniu
wewnętrznym,  do  których  doprowadzane  jest  paliwo  i  powietrze,  z  których  w  wyniku  spalania  wewnątrz  silnika
powstają  spaliny  usuwane  następnie  do  otoczenia.  W  cieplnym  silniku  spalinowym  nie  jest  realizowany  obieg
termodynamiczny,  ale  zmiany  stanu  czynnika  mogą  być  porównywane  ze  zmianami  zachodzącymi  w  teoretycznym
obiegu  porównawczym.  W  silniku  cieplnym  tłokowym  ruch  tłoka  spowodowany  jest  zmiennym  naciskiem  czynnika
roboczego na denko tłoka, co wywołuje na ogół ruch posuwisto-zwrotny tłoka lub wyjątkowo ruch obrotowy.

Przedmiotem badań jest w tym ćwiczeniu tłokowy silnik spalinowy. W silnikach tego typu ciepło wydzielane

wskutek spalenia mieszanki paliwowo-powietrznej powoduje wzrost energii wewnętrznej czynnika termodynamicznego
zamkniętego w cylindrze pod tłokiem. Czynnik ten rozprężając się działa na tłok, przesuwając go i wprawiając w ruch
układ korbowy powodując ruch obrotowy wału korbowego. Energia kinetyczna tego ruchu może być wykorzystana do
celów napędowych.

Tłokowy silnik spalinowy jest urządzeniem znanym, produkowanym i stosowanym już od ponad 100 lat, czyli

jest to dojrzała i sprawdzona konstrukcja, dopracowana technologicznie. Jednak prace konstrukcyjno-badawcze
prowadzone są w dalszym ciągu, aby sprostać rosnącym wymaganiom dotyczącym zmniejszenia zużycia paliwa,
poprawy trwałości i niezawodności.

Badania silników spalinowych mają przede wszystkim na celu sprawdzenie czy silnik w rzeczywistości

zachowuje  się  tak,  jak  przewidywał  to  konstruktor  w  fazie  projektowej.  Czy  silnik  przy  określonych  prędkościach
obrotowych rozwija przewidzianą moc, czy towarzyszy temu odpowiedni moment obrotowy na wale napędowym i czy
zużycie  paliwa  nie  przekracza  ustalonych  granic.  Pomiary  służące  do  sprawdzania  wyżej  wymienionych  własności
prowadzone  są  na  stanowiskach  badawczych  zwanych  hamowniami.  Wyniki  otrzymane  podczas  badań  służą  do
sporządzenia  charakterystyk  ogólnych  (zewnętrznych)  badanego  silnika.  Charakterystyki  te  wykorzystywane  są  do
porównywania różnych silników, uzyskania informacji o jakości danej konstrukcji silnika, czy też sprawdzania jakości
przeprowadzonych remontów i napraw.

2.2. SILNIKOWE OBIEGI PORÓWNAWCZE

Tłokowe silniki spalinowe są silnikami cieplnymi, wewnątrz których następuje spalanie mieszanki paliwowo-
powietrznej, w wyniku czego czynnik roboczy wywiera zmienny nacisk na denko tłoka wywołując jego ruch. Tego typu
silniki mogą być realizowane tylko jako silniki o spalaniu nieciągłym, w których objętość roboczego czynnika
termodynamicznego zmienia się okresowo w czasie. Z silnika spalinowego wypływają spaliny o składzie chemicznym i

T-12. BADANIE SILNIKA SPALINOWEGO O ZAPŁONIE ISKROWYM

Str. 3/30

stanie termodynamicznym całkowicie różnym od składu chemicznego i stanu termodynamicznego mieszanki zasysanej
do silnika. Zbiór kolejnych następujących po sobie stanów czynnika roboczego w silniku spalinowym nie stanowi zatem
obiegu, lecz może zostać porównany z obiegiem teoretycznym, zwanym obiegiem porównawczym. Ponieważ obiegi
porównawcze nie są przeznaczone do dokładnych obliczeń silników, a jedynie do wyciągania wniosków ogólnych,
celowe jest przyjęcie w nich daleko idących założeń upraszczających w odniesieniu do przebiegów rzeczywistych.

Zakładamy, że w obiegu porównawczym silnika spalinowego mamy stałą ilość czynnika termodynamicznego o

stałym  składzie  chemicznym.  Czynnikiem  roboczym  jest  gaz  doskonały  o  stałym  cieple  właściwym.  Obieg
porównawczy  zbudowany  jest  wyłącznie  z  typowych  przemian  odwracalnych.  W  obiegach  tych  nie  uwzględnia  się
rozpraszania  pracy,  co  występuje  w  rzeczywistych  przemianach.  Nieodwracalny  proces  spalania  zastąpiony  zostaje
doprowadzeniem ciepła z zewnątrz do obiegu podczas przemiany izobarycznej lub izochorycznej, przy założeniu tego
samego przyrostu temperatury co przy spalaniu.

Punkty przecięć przemian tworzących obieg porównawczy nazywane są punktami węzłowymi obiegu i są

numerowane począwszy od początku sprężania, dla obiegu silnikowego zgodnie z ruchem wskazówek zegara.

2.2.1. OBIEG OTTO

W obiegu Otto (rys. 1) ciepło jest doprowadzane i odprowadzane przy stałej objętości (izochorycznie - przemiany 2-3 i
4-1). Sprężanie i rozprężanie odbywa się adiabatycznie, tzn. bez wymiany ciepła z otoczeniem, przy stałej entropii.
Praca jest wykonywana jedynie podczas przemiany rozprężania (linia 3-4). Sprawność termiczna obiegu Otto, czyli
stosunek pracy teoretycznie uzyskanej do ciepła doprowadzonego, można wyrazić zależnością

−

(1)

gdzie :

- sprawność termiczna obiegu Otto;

= (V

+ V

)/V

- geometryczny stopień sprężania;

- wykładnik izentropy.

Rys. 1. Obieg Otto w układach p-V i T-s.

Sprawność termiczna obiegu Otto rośnie wraz ze wzrostem

(stopień kompresji,

= V

) oraz stosunku

ciepeł właściwych

, nie zależy natomiast od ilości doprowadzonego i odprowadzonego ciepła, czyli od obciążenia

silnika.

Obieg Otto służy jako obieg porównawczy dla silników spalinowych o zapłonie iskrowym, zasilanych paliwem

gazowym lub lekkim paliwem ciekłym, najczęściej benzyną silnikową, przy stopniach kompresji nie przekraczających
8,5. Przy wyższych

występuje spalanie detonacyjne, szkodliwe dla silnika ze względu na zwiększone obciążenia

cieplne i mechaniczne silnika.

2.2.2. OBIEG DIESLA

W  obiegu  Diesla  (rys.  2)  ciepło  jest  doprowadzane  przy  stałym  ciśnieniu  (izobarycznie  -  przemiana  2-3),  zaś
odprowadzane  przy  stałej objętości (izochorycznie, przemiana 4-1). Sprężanie i rozprężanie odbywa się adiabatycznie
(izentropowo,  przemiany  1-2  i  3-4).  Praca  zewnętrzna  jest  wykonywana  podczas  przemiany  izobarycznej  2-3  i
adiabatycznej 3-4, zaś sprawność termiczną można wyrazić zależnością

−

⋅

−

(2)

gdzie:

- sprawność termiczna obiegu Diesla;

= (V

+ V

)/V

- geometryczny stopień sprężania ;

- wykładnik izentropy;

= V

- stopień obciążenia.

T-12. BADANIE SILNIKA SPALINOWEGO O ZAPŁONIE ISKROWYM

Str.4/30

Rys. 2. Obieg Diesla w układach p-V i T-s.

Dla obiegu Diesla sprawność termiczna rośnie ze wzrostem stopnia kompresji

oraz stosunku ciepeł

właściwych

, maleje natomiast ze wzrostem stopnia obciążenia

. Sprawność tego obiegu jest niższa od sprawności

termicznej obiegu Otto zrealizowanego przy tym samym stopniu kompresji

. Jednak ponieważ w silnikach o zapłonie

samoczynnym wykorzystywane są zazwyczaj znacznie wyższe stopnie kompresji

= 14÷22 niż w silnikach o zapłonie

iskrowym

= 6,5÷8,5 , więc sprawności termiczne obiegu Diesla odpowiadającego rzeczywistym konstrukcjom są

wyższe od sprawności obiegu Otto, zaś sprawności silników o zapłonie samoczynnym są wyższe od sprawności silników
o zapłonie iskrowym.

Obieg Diesla służył jako obieg porównawczy dla pierwszych silników o zapłonie samoczynnym z wtryskiem

paliwa za pomocą sprężonego powietrza, które wynalazł Diesel, jest jednak mniej odpowiedni jako obieg porównawczy
dla współczesnych silników o zapłonie samoczynnym.

2.2.3. OBIEG SABATHÉ-SEILIGERA

Obieg  Sabathé-Seiligera  (rys.  3)  jest  najbardziej  ogólną  postacią  obiegu  porównawczego  dla  tłokowych  silników
spalinowych.  Cechą  charakterystyczną  tego  obiegu  jest  doprowadzanie  ciepła  częściowo  przy  stałej  objętości
(izochorycznie, przemiana 2-3) i częściowo przy stałym ciśnieniu (izobarycznie, przemiana 3-4). Odprowadzanie ciepła
następuje przy stałej objętości (izochorycznie, przemiana 5-1), zaś sprężanie i rozprężanie jest adiabatyczne (przemiany
odpowiednio  1-2  i  4-5).  Praca  wykonywana  jest  podczas  izobarycznego  doprowadzania  ciepła    (przemiana  3-4)  i
adiabatycznego rozprężania (przemiana 4-5). Sprawność termiczna obiegu Sabathé-Seiligera wynosi

)

(

)

(

−

⋅

−

κα

αϕ

(3)

gdzie :

- sprawność termiczna obiegu Sabathé-Seiligera;

= (V

+ V

)/V

- geometryczny stopień sprężania;

- wykładnik izentropy ;

= V

- stopień obciążenia;

= p

- stopień izochorycznego wzrostu ciśnienia.

Rys. 3. Obieg Sabathé-Seiligera w układach p-V i T-s.

Sprawność termiczna obiegu Sabathé-Seiligera rośnie ze wzrostem stopnia kompresji

, stopnia

izochorycznego wzrostu ciśnienia

i stosunku ciepeł właściwych

, natomiast maleje ze stopniem obciążenia

. Gdy

dla omawianego obiegu

→

1, to jego sprawność staje się sprawnością obiegu Diesla i uzyskujemy obieg Diesla. Gdy

→

1, to obieg ten staje się obiegiem Otto.

Obieg Sabathé-Seiligera jest obiegiem porównawczym dla silników spalinowych tłokowych o zapłonie

samoczynnym, wynikającym z wysokiej temperatury powietrza, i wtryskiem paliwa za pomocą pompy wtryskowej [8].

2.3. OBIEG RZECZYWISTEGO SILNIKA SPALINOWEGO

W  rzeczywistych  silnikach  spalinowych  zachodzą  procesy  temodynamiczne  znacznie  odbiegające  od  wymienionych
powyżej teoretycznych obiegów porównawczych. Wykres będący obrazem takiego obiegu uzyskuje się przez indykację
silnika  we  współrzędnych  ciśnienie  -  objętość  lub  czas  ciśnienie.  Na  rys.  4  przedstawiono  obieg  rzeczywisty
(indykatorowy  -  linia  gruba)  oraz  naniesiony  linią  cienką  układ  współrzędnych  p-V  i  teoretyczny  obieg  Sabathé-
Seiligera 0-1-2-3-4-5-0, najbliższy obiegowi rzeczywistemu.

T-12. BADANIE SILNIKA SPALINOWEGO O ZAPŁONIE ISKROWYM

Str. 5/30

Rys. 4. Wykres indykatorowy tłokowego silnika spalinowego w układzie p-V.

Różnice pomiędzy obiegami porównawczymi (teoretycznymi) i obiegami rzeczywistym wynikają z wielu

następujących przyczyn :
-  procesy  spalania  w  rzeczywistości  nie  mają  ani  charakteru  izochorycznego,  ani  izobarycznego,  lecz  przebiegają  w
sposób  skomplikowany,  powodujący,  że  natężenie  wydzielania  się  ciepła  i  zmiany  parametrów  termodynamicznych
mają inny przebieg od wynikającego z teorii,
-    ciągły  ruch  tłoka  i  czynniki  nań  wpływające  narzucają  rzeczywisty  charakter  przemian  odmienny  od  teoretycznej
idealizacji,
-  proces odprowadzania ciepła nie jest izochoryczny, chociaż nie zachodzi tu reakcja chemiczna, to gwałtowne otwarcie
zaworu  wylotowego  powoduje  szybki  wypływ  gazów  z  cylindra,  a  zmiany  parametrów  termodynamicznych  temu
towarzyszące nie są izochoryczne,
-    procesy  zasysania  świeżej  mieszanki  i  wytłaczania  spalin  odbywają  się  przy  ciśnieniach  różnych  od  ciśnienia
atmosferycznego i różniących się między sobą,
-      przebieg  procesów  sprężania  i  rozprężania  w  silniku  rzeczywistym  odbiega  od  przebiegu  izentropowych  procesów
odwracalnych  ze  względu  na  wymianę  ciepła  między  czynnikiem,  a  ścianką  cylindra  oraz  na  występowanie  zjawisk
nieodwracalnych takich jak tarcie, dyfuzja, czy wtórne reakcje chemiczne.

Należy stwierdzić, że rzeczywisty obieg silnika spalinowego jest inny niż obieg teoretyczny i można go

otrzymać jedynie przez indykację istniejącego silnika.

2.4. KLASYFIKACJA SILNIKÓW SPALINOWYCH

Do klasyfikacji silników spalinowych, poza kryterium teoretycznym jakim jest obieg, wykorzystuje się wiele innych
kryteriów mających charakter konstrukcyjny bądź też eksploatacyjny.

Ze względu na liczbę suwów tłoka przypadającą na jeden cykl pracy silnika dzielimy je na dwusuwowe (dwa

suwy tłoka, czyli jeden obrót wału korbowego na jeden cykl pracy) i czterosuwowe (cztery suwy tłoka , czyli dwa obroty
wału korbowego na jeden cykl pracy).

Z uwagi na liczbę i układ cylindrów silniki dzieli się na jedno- i wielocylindrowe. Układ geometryczny

cylindrów w stosunku do wału korbowego w silnikach wielocylindrowych jest przy tym bardzo zróżnicowany. Mogą
one być usytuowane w jednym rzędzie wzdłuż wału (silnik rzędowy), w dwu lub więcej rzędach ułożonych w kształt
liter V, W, X, mogą to być silniki z przeciwbieżnymi tłokami, czy też silniki gwiaździste, gdzie cylindry ustawione są
promieniowo w płaszczyznie prostopadłej do osi wału. Możliwości różnych konfiguracji jest bardzo dużo.

Ze względu na rodzaj paliwa rozróżniamy silniki na paliwo ciekłe i na paliwo gazowe.

Silniki mogą być gaźnikowe lub z wtryskiem paliwa w zależności od sposobu wytwarzania mieszanki

paliwowo-powietrznej. Rozróżniamy silniki zasysające gotową mieszankę, wytworzoną na zewnątrz silnika, np. w
gaźniku, i silniki, w które zasysają z otoczenia powietrze, a mieszanka powstaje wewnątrz silnika, np. przez wtryśnięcie
paliwa do cylindra.

Zapłon mieszanki paliwowo-powietrznej w silniku można wywołać od czynnika zewnętrznego, np. od iskry

elektrycznej przeskakującej (w odpowiednim momencie cyklu) między elektrodami świecy zapłonowej, co realizowane
jest w silnikach z zapłonem iskrowym. Zapłon może też nastąpić samoistnie po rozpoczęciu wytwarzania mieszanki w
cylindrze i uzyskaniu odpowiednich warunków ciśnienia i temperatury, czyli po rozpoczęciu wtrysku, w silnikach z
zapłonem samoczynnym.

Silnik może być chłodzony cieczą (np. wodą, glikolem etylenowym, itp.), która omywa cylindry w specjalnych

kanałach, przy czym jej ruch może zostać wymuszony przy pomocy pompy lub wynikać z jej naturalnego ruchu
konwekcyjnego. Chłodzenie silnika może też odbywać się poprzez strumień powietrza omywający z zewnątrz cylindry,
wywołany naturalnym lub wymuszonym ruchem powietrza względem silnika.

Ze względu na sposób smarowania silniki dzielimy na silniki z otwartym układem olejowym i silniki z

zamkniętym układem olejowym. W pierwszym przypadku, pompa olejowa zasysa olej z miski olejowej znajdującej się
pod wałem korbowym i tłoczy go do układu smarującego, z którego spływa on ponownie do miski. W obiegu
zamkniętym działają dwie pompy, jedna tłoczy olej do układu smarowania, a druga wysysa gorący olej z układu i
wtłacza go do chłodnicy oleju. W misce olejowej nie ma wtedy oleju, czyli mamy tu układ z tzw. suchą miską olejową.

T-12. BADANIE SILNIKA SPALINOWEGO O ZAPŁONIE ISKROWYM

Str.6/30

System regulacji obciążenia umożliwia dopasowanie parametrów pracy silnika, szczególnie prędkości

obrotowej, do warunków obciążenia. Regulacją obejmuje się skład i ilość mieszanki paliwowo-powietrznej podawanej
do silnika. W silnikach gaźnikowych układem regulacyjnym jest przepustnica gaźnika i związany z nim system
automatyki. W silnikach z wtryskiem paliwa regulacja składu mieszanki i jej ilości

realizowana

jest

przez

kontrolowanie ilości dostarczanego paliwa oraz ilości zasysanego powietrza. Regulacja może być jedno- lub
wielozakresowa, tzn. regulator utrzymuje zawsze takie same stałe obroty silnika, lub przy regulacji wielozakresowej,
regulator utrzymuje prędkość obrotową na poziomie nastawionym, np. przez obsługę.

Ze względu na układ rozrządu, czyli na system doprowadzenia czynnika roboczego do cylindra i

odprowadzenia spalin silniki dzielimy na silniki z rozrządem zaworowym, suwakowym i szczelinowym.

Silniki spalinowe, ze względu na rodzaj napędu, dzieli się na trzy podstawowe grupy:

1.  Silniki  pracujące  ze  stałą  prędkością  obrotową  niezależną  od  obciążenia;  czyli  silniki  stosowane  do  napędu
generatorów  prądu  przemiennego,  sprężarek  gazowych,  statków  morskich,  niektórych  maszyn  roboczych,  maszyn
rolniczych, młynów.
2.  Silniki  pracujące  ze  zmienną prędkością obrotową niezależną od obciążenia; zaliczamy tu przede wszystkim silniki
trakcyjne do napędu samochodów, lokomotyw spalinowych, sprzętu rolniczego, itp.
3. Silniki pracujące z prędkością obrotową regulowaną w zależności od obciążenia; np. silniki lotnicze współpracujące
ze śmigłem o zmiennym skoku lub wirnikiem śmigłowca.

Przedstawiona tutaj systematyka silników spalinowych jest pomocna przy wyborze metod pomiarów i

przyrządów stosowanych w ich badaniach. Niektóre wielkości mają charakter uniwersalny i mierzy się je niezależnie od
rodzaju silnika, są nimi np. wszystkie parametry niezbędne do sporządzenia charakterystyk ogólnych. Wolnobieżne
silniki dużej mocy, przeznaczone do napędu statków potrzebują innych stanowisk badawczych niż małe silniki
motocyklowe. Mimo to stanowisko badawcze dla grupy silników o podobnych własnościach powinno charakteryzować
się pewną uniwersalnością pomiarową i oprzyrządowania.

2.5. CHARAKTERYSTYKI SILNIKA

Charakterystyką silnika nazywa się graficzne przedstawienie (wykres) wzajemnej zależności między

podstawowymi wielkościami charakteryzującymi pracę silnika, takimi jak : moc użyteczna, moment obrotowy, średnie
ciśnienie użyteczne, jednostkowe zużycie paliwa i prędkość obrotowa lub też zależność tych parametrów  od wielkości
charakteryzujących  regulacje  układu  zasilania  i  układu  zapłonowego  silnika.  Oprócz  parametrów  podstawowych  na
wykresach  tych  mogą  być  naniesione  również,  zależnie  od  potrzeb,  godzinowe  zużycie  paliwa,  temperatura  spalin,
współczynnik  składu  mieszanki  i  inne.  Niektóre  z  tych  zależności  można  określić  teoretycznie  otrzymując
charakterystykę  teoretyczną,  którą  można  następnie  porównać  z  odpowiednią  charakterystyką  uzyskaną  na  drodze
eksperymentu, co może stanowić podstawę do ulepszeń konstrukcji silnika.

Zależnie od tego, które parametry przyjmuje się jako zmienne niezależne, wykonuje się następujące

charakterystyki:

•

prędkościowe (w funkcji prędkości obrotowej wału korbowego silnika),

•

obciążeniowe (w funkcji obciążenia silnika).

•

regulacyjne ( funkcji parametrów charakteryzujących regulację silnika),

•

ogólne.

Wszystkie  omawiane  dalej  charakterystyki  silnika  dotyczą  warunków  ustalonych  jego  pracy.  Oznacza  to,  że  w  czasie
wykonywania  pomiarów  wszystkie  parametry  mierzone  charakteryzujące  jego  pracę,  takie  jak:  prędkość  obrotowa,
moment  obrotowy,  skład  mieszanki  (względnie  dawka  paliwa),  kąt  wyprzedzenia  zapłonu  i  inne,  zachowują  wartości
niezmienne w czasie (stałe). Poza tym stan cieplny silnika nie może ulegać zmianom, czyli temperatura wody chłodzącej
wypływającej  z  głowicy  silnika  musi  być  stała,  niezmienna  musi  być  średnia  temperatura  spalin  i  średnia  temperatura
gniazd świec zapłonowych, a także temperatura oleju w misce olejowej.

2.5.1. CHARAKTERYSTYKI PRĘDKOŚCIOWE

Charakterystyka prędkościowa przedstawia zależność mocy użytecznej N

, momentu obrotowego M

i jednostkowego

zużycia paliwa g

od prędkości obrotowej wału silnika n . Niekiedy nanosi się ponadto na wykres charakterystyki

prędkościowej takie wielkości jak : krzywe godzinowego zużycia paliwa G

, temperatury spalin T

, średniego ciśnienia

użytecznego p

i ewentualnie inne. Najpopularniejsze z tej grupy są tzw. charakterystyki zewnętrzne, sporządzane dla

silników pracujących w zmiennych warunkach obciążenia i przy zmiennej prędkości obrotowej.
Są to charakterystyki :

= f (n) ,

gdzie

= G

Charakterystyki te zdejmowane są przy maksymalnym otwarciu przepustnicy gaźnika lub maksymalnej dawce
wtryskiwanego paliwa. Przez maksymalne rozumie się takie położenie organów regulacyjnych, przy którym silnik może
pracować bez szkody dla jego elementów. Podobne wykresy można uzyskać przy mniejszym otwarciu przepustnicy, np.

T-12. BADANIE SILNIKA SPALINOWEGO O ZAPŁONIE ISKROWYM

Str.8/30

Rys. 7. Charakterystyka obciążeniowa silnika gaźnikowego.

rednie ciśnienie użyteczne p

liczymy z następującego wzoru

⋅

1000

(4)

gdzie : p

- średnie ciśnienie użyteczne, Pa; N

- moc użyteczna, kW; V

- objętość suwowa jednego cylindra, m

;

n - prędkość obrotowa silnika, s

-1

;

- liczba obrotów wału korbowego na jeden suw pracy (

= 1 - silniki

dwusuwowe,

= 2 - silniki czterosuwowe); i - liczba cylindrów.

W celu otrzymania takiej charakterystyki wykonuje się pomiary godzinowego zużycia paliwa i momentu

obrotowego przy różnych położeniach elementów regulujących dopływ paliwa i przy stałej prędkości obrotowej. Dla
silników z zasilaniem gaźnikowym charakterystyka ta nosi nazwę przesłonowej.

2.5.3. CHARAKTERYSTYKI REGULACYJNE

Są to charakterystyki przedstawiające zależność podstawowych parametrów pracy silnika od nastawienia parametrów
regulacji układu zapłonowego i zasilania. Charakteryzują one zużycie jednostkowe paliwa i moc użyteczną silnika w
funkcji zużycia godzinowego. W związku rozróżnia się:

•

charakterystykę regulacyjną rozrządu,

•

charakterystykę regulacyjną kąta wyprzedzenia zapłonu,

•

charakterystykę regulacyjną składu mieszanki.

Przykładowo, charakterystyka regulacyjna składu mieszanki (rys. 8) przedstawia zależność mocy użytecznej N

(ewentualnie M

lub p

) i jednostkowego zużycia paliwa g

od godzinowego zużycia paliwa G

dla stałej prędkości

obrotowej, optymalnego kąta wyprzedzenia zapłonu i stałego otwarcia przepustnicy gaźnika.

Rys. 8. Schemat charakterystyki regulacyjnej składu mieszanki

Na wykresie charakterystyki, pokazanym na rys. 8, występują dwa punkty szczególne, a mianowicie A -

odpowiadający g

u min

i B - odpowiadający N

u max

. Wynika z tego, że punkt regulacji na moc maksymalną i punkt

regulacji na tzw. regulację ekonomiczną, nie pokrywają się.

2.5.4. CHARAKTERYSTYKA OGÓLNA

Jest to charakterystyka, zwana także warstwicową, przedstawiająca w sposób parametryczny ciśnienia użyteczne,
moment obrotowy, moc użyteczną i jednostkowe zużycie paliwa - w funkcji prędkości obrotowej. Na rys. 9
przedstawiono przykład takiej charakterystyki dla silnika z zapłonem samoczynnym.

T-12. BADANIE SILNIKA SPALINOWEGO O ZAPŁONIE ISKROWYM

Str. 9/30

Rys. 9. Charakterystyka ogólna
silnika z zapłonem samoczynnym

2.6. BILANS ENERGETYCZNY SILNIKA SPALINOWEGO

Bilans  energetyczny  silnika  spalinowego  jest  algebraiczną  sumą  energii  doprowadzonej  do  silnika  i  energii
odprowadzonej. Są to wartości tych rodzajów energii, które biorą udział w procesie zamiany energii zawartej w paliwie
(energii chemicznej paliwa) na pracę użyteczną silnika. Aby określić poszczególne składniki bilansu, należy zmierzyć te
parametry,  które  są  potrzebne  do  ich  obliczenia.  Jednak  w  praktyce  nie  jest  możliwe  wykonanie  takich  pomiarów,  w
oparciu  o  które  można  by  obliczyć  lub  ustalić  w  inny  sposób  wszystkie  pozycje  bilansu.  W  związku  z  tym,  pewne
wielkości  występujące  w  bilansie  przyjmuje  się  umownie,  np.  jako  dopełnienie  do  100%.  Bilans  energetyczny  silnika
spalinowego składa się w zasadzie z trzech głównych pozycji, a mianowicie:

•

ciepło doprowadzone z paliwem,

•

praca użyteczna,

•

straty: wewnętrzna, niezupełnego spalania, wylotowa, mechaniczna, tarcia i napędów pomocniczych, chłodzenia i
inne.

Cały bilans można odnieść do jednostki czasu, czyli podzielić wszystkie pozycje występujące w bilansie przez

czas wykonania bilansu. Uzyskamy wówczas bilans strumieni energii, a jeżeli czas pomiaru dąży do zera to będzie to
bilans mocy.

Najczęściej jednak bilans odnosi się do energii doprowadzonej z paliwem, którą przyjmuje się za 100%,

wyrażając następnie poszczególne pozycje bilansu jako procentowe składniki. Wówczas stosunek pracy użytecznej do
ciepła doprowadzonego daje sprawność ogólną silnika.

Bilans energetyczny silników pojazdów mechanicznych, które pracują przy zmiennym obciążeniu i zmiennej

prędkości  obrotowej,  wykonuje  się  w  ten  sposób,  że  ustala  się  prędkość  obrotową,  a  potem  przy  stałym  obciążeniu
wykonuje się pomiary. Zmieniając obciążenia, ciągle przy stałej prędkości obrotowej, wykonuje się kolejne pomiary, co
pozwala  zestawić  serię  bilansów  dla  jednej  prędkości  obrotowej.  Wykonując  następnie  podobne  serie  pomiarowe  dla
innych  prędkości  obrotowych,  można  zestawić  bilanse  energetyczne  silnika  dla  całego  zakresu  zmian  prędkości  i
obciążenia.  Umożliwia  to  wybranie  optymalnych  warunków  pracy  silnika  oraz  określenie  wielkości  strat
energetycznych,  a  przez  porównanie  z  analogicznymi  wielkościami  innych  silników,  ustalenie  sposobów  zmniejszenia
tych strat.

Zasadnicze zestawienie bilansowe można przedstawić równaniem:

∑

(5)

lub

∑

str

odl

chl

(6)

gdzie :

- strumień energii cieplnej dostarczonej z paliwem, kW,

- strumień energii użytecznej, moc użyteczna, zmierzona, kW,

∑

- suma strat, kW,

chl

- strumień cieplny chłodzenia, strata chłodzenia, kW,

odl

- strumień cieplny odprowadzonych spalin, strata odlotowa, kW,

- strumień cieplny niezupełnego spalania, strata niezupełnego spalania, kW,

- strumień strat mechanicznych, straty mechaniczne, kW,

∑

str

- inne straty, kW.

T-12. BADANIE SILNIKA SPALINOWEGO O ZAPŁONIE ISKROWYM

Str.10/30

Moc cieplną uzyskiwaną ze spalenia paliwa, czyli strumień ciepła dostarczony przez paliwo, obliczamy ze

wzoru:

3600

⋅

(7)

gdzie : G

- godzinowe zużycie paliwa, kg/h,

- wartość opałowa paliwa, kJ/kg.

Pomiar mocy użytecznej, czyli użytecznego strumienia ciepła, jest wykonywany na stanowiskach badawczych

zwanych hamowniami za pomocą hamulca obciążeniowego. Hamulcem obciążeniowym mierzy się właściwie moment
obrotowy, a do określenia mocy użytecznej trzeba wykonać również pomiar prędkości obrotowej. Moc użyteczną
liczymy z zależności

⋅

(8)

gdzie : N

- moc użyteczna, kW,

- siła zmierzona na hamulcu, N,

- prędkość obrotowa silnika, s

-1

- stała hamulca, wielkość charakterystyczna dla danego hamulca, m.

Stratę chłodzenia, czyli strumień ciepła unoszony przez czynnik chłodzący (np. powietrze lub wodę), oblicza

się na podstawie pomiarów temperatury chłodziwa i strumienia jego masy przepływającego przez układ chłodzenia z
zależności

)

(

chl

−

⋅

(9)

gdzie :

- strumień masy płynu chłodzącego, kg/s,

- średnie ciepło właściwe płynu chłodzącego, kJ/kg·K,

- temperatura płynu dopływającego do układu chłodzenia, K,

- temperatura płynu wypływającego z układu chłodzenia, K.

Strata odlotowa zwana też stratą wylotową fizyczną -

∆

spowodowana

jest tym, że temperatura produktów

reakcji spalania T

jest wyższa od temperatury otoczenia T

, a więc spaliny odprowadzają ze sobą strumień ciepła

większy od strumienia ciepła teoretycznie koniecznego do odprowadzenia. Stratę odlotową oblicza się mnożąc masy
poszczególnych składników spalin przez ich ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu, sumuje te wartości i mnoży przez
różnicę temperatur, np.[8]

)

)(

(

"
CO

"
O

"
N

odl

−

⋅

∆

(10)

gdzie:

- temperatura produktów spalania (spalin), K,

- temperatura otoczenia, K,

″

- masa i-tego składnika spalin, kg i-tego składnika/kg paliwa,

p i

- ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu i-tego składnika [10], kJ/kg K, (patrz Tablica 1).

W praktyce często wygodnie jest wprowadzić do takiego wzoru entalpię molową poszczególnych składników spalin i
ich udziały molowe. Wartości entalpii molowych znajdujemy w tablicach (patrz Tablica 2). Wzór na stratę odlotową
przyjmuje wtedy postać

T-12. BADANIE SILNIKA SPALINOWEGO O ZAPŁONIE ISKROWYM

Str. 11/30

Tablica 1. Ciepło właściwe c

wybranych gazów [10].

Temperatura

Powietrze

suche

°C

kJ/kg K

273,15

0,9148

14,1949

0,9990

1,8594

1,0392

1,0036

1,0396

0,8148

0,8508

2,1654

100

373,15

0,9337

14,4482

0,9969

1,8903

1,0421

1,0103

1,0446

0,9136

0,9500

2,4484

200

473,15

0,9630

14,5043

1,0107

1,9406

1,0517

1,0245

1,0584

0,9927

1,0283

2,8068

300

573,15

0,9948

14,5332

1,0350

2,0005

1,0693

1,0446

1,0802

1,0567

1,0932

3,1753

400

673,15

1,0237

14,5809

1,0609

2,0645

1,0915

1,0685

1,1057

1,1103

1,1472

3,5295

500

773,15

1,0484

14,6622

1,0861

2,1319

1,1154

1,0923

1,1321

1,1547

1,1928

3,8560

600

873,15

1,0689

14,7786

1,1087

2,2014

1,1392

1,1149

1,1568

1,1920

1,2313

4,1529

700

973,15

1,0856

14,9301

1,1283

2,2730

1,1614

1,1355

1,1790

1,2230

1,2632

4,4213

800

1073,15

1,0999

15,1148

1,1455

2,3450

1,1815

1,1539

1,1987

1,2493

1,2912

4,6595

900

1173,15

1,1120

15,3120

1,1597

2,4154

1,1991

1,1702

1,2158

1,2715

1,3151

4,8726

1000

1273,15 1,1229 15,5175

1,1719

2,4824

1,2150

1,1844

1,2305 1,2900 1,3352 5,0614

Tablica 2. Wartości entalpii molowej (Mh), liczonej od temperatury 20°C, dla poszczególnych składników spalin

(

)

⋅

−

kJ / kmol

temperatura

°C

powietrze

suche

M = 29

kg/kmol

azot

M = 28

kg/kmol

tlen

M = 32

kg/kmol

tlenek

węgla

M = 28

kg/kmol

dwutlenek

węgla

M = 44

kg/kmol

wodór

M = 2

kg/kmol

metan

M = 16

kg/kmol

woda

M = 18

kg/kmol

-0,58

-0,59

-0,58

-0,75

-0,57

-0,77

-0,67

0,87

0,89

0,88

1,12

0,86

1,15

1,00

100

2,32

2,33

2,36

2,34

2,99

2,29

3,06

2,68

150

3,78

3,80

3,88

3,83

5,13

3,75

5,08

4,50

200

5,24

5,26

5,39

5,30

7,26

5,20

7,09

6,84

250

6,73

6,75

6,96

6,82

9,51

6,69

9,49

8,64

300

8,22

8,23

8,53

8,34

11,76

8,18

11,88

10,44

350

9,73

9,74

10,15

9,89

14,15

9,60

14,57

12,24

400

11,24

11,76

11,44

16,54

11,02

17,25

14,04

450

12,79

12,78

13,42

13,04

19,03

12,48

20,22

16,02

500

14,35

14,32

15,07

14,64

21,51

13,94

23,18

18,00

550

15,94

15,91

16,78

16,24

24,10

15,42

26,36

19,81

600

17,53

17,50

18,48

17,84

26,68

16,89

29,53

21,61

650

19,16

19,11

20,20

19,55

29,36

18,38

32,97

23,68

700

20,79

20,72

21,92

21,26

32,03

19,86

36,40

25,74

750

22,43

22,36

23,66

22,92

34,72

21,35

39,76

27,90

800

24,07

24,00

25,39

24,57

37,40

22,83

43,12

30,06

850

25,75

25,68

27,15

26,29

40,20

24,35

47,35

32,39

900

27,44

27,36

28,91

28,00

42,99

25,87

51,58

34,72

950

29,12

29,04

30,71

29,76

45,83

27,42

55,59

36,85

1000

30,81

30,72

32,50

31,51

48,66

28,96

59,60

38,98

Przykład : entalpia molowa tlenu w temperaturze 700°C wynosi:

( )

kJ/kmol

21,92

⋅

stąd entalpia właściwa wynosi:

kJ/kg

⋅

T-12. BADANIE SILNIKA SPALINOWEGO O ZAPŁONIE ISKROWYM

Str.12/30

[ ]

( )

[ ]

( )

[ ]

( )

[

]

( )

{

}

( )

3600

odl

⋅

(11)

gdzie : G

- godzinowe zużycie paliwa, kg/h,

- jednostkowa ilość spalin suchych, kmol/kg paliwa,

H O

- jednostkowa ilość pary wodnej w spalinach, kmol/kg paliwa,

]

, [O

]

, [CO]

, [CO

]

- udziały molowe składników w spalinach suchych,

(Mh)

- entalpia molowa składnika spalin liczona od temperatury otoczenia, kJ/kmol.

Znając masowy udział węgla w paliwie C i masowy udział palnego wodoru w paliwie H (wyrażane w kg/kg

paliwa) można obliczyć jednostkową ilość spalin suchych n

i jednostkową ilość wody

H O

w spalinach mokrych.

Jednostkowa ilość spalin mokrych wynosi

(12)

gdzie: n

- jednostkowa ilość spalin mokrych, kmol/kg paliwa,

- jednostkowa ilość spalin suchych, kmol/kg paliwa,

H O

- jednostkowa ilość pary wodnej w spalinach, kmol/kg paliwa.

Pomiar składu spalin uproszczonym aparatem Orsata pozwala na uzyskanie zawartości w spalinach suchych dwutlenku
węgla [CO

]

i tlenu [O

]

. Wtedy z wykresu Ostwalda dla danego paliwa można odczytać zawartość tlenku węgla w

spalinach suchych [CO]

i wtedy

]

= 1 - ( [CO

]

+ [O

]

+ [CO]

)

(13)

[

] [ ]

⋅

(14)

(15)

gdzie: C, H

- udziały masowe w paliwie, odpowiednio węgla i wodoru w kg/kg paliwa.

Strata niezupełnego spalania (strumień cieplny niezupełnego spalania), zwana też chemiczną wylotową stratą

energii, wynika z faktu, że spaliny zawierają gazy palne. Stratę tę oblicza się jako iloczyn danego składnika palnego
przez jego wartość opałową, a następnie sumuje się te iloczyny dla wszystkich składników palnych spalin. Zazwyczaj
zawartości w spalinach metanu CH

i wodoru H

są znikome i wystarczy uwzględnić jedynie obecność tlenku węgla CO.

W odniesieniu do jednostki ilości paliwa otrzymuje się wzór

)

(

CO]

[

3600

⋅

(16)

gdzie: G

- godzinowe zużycie paliwa, kg/h,

- jednostkowa ilość spalin suchych, kmol/kg paliwa,

[CO]

- udział molowy składnika - tlenku węgla - w spalinach suchych,

(MQ

)

- molowe ciepło spalania tlenku węgla CO, kJ/kmol,

(MQ

)

= 28.300 kJ/kmol.

Straty mechaniczne (strumień strat mechanicznych) wynikają z konieczności pokonania oporów tarcia w

mechanizmach silnika oraz konieczności napędu mechanizmów pomocniczych, takich jak: mechanizm rozrządu, pompa
zasilająca, wodna i olejowa, wentylator, prądnica, itp. Straty te można obliczyc jako różnicę między mocą indykowaną i
mocą użyteczną

−

(17)

⋅

(18)

gdzie: S

- strumień strat mechanicznych, kW, N

- moc indykowana silnika, kW, N

- moc użyteczna, kW,

- średnie ciśnienie indykowane, kPa, V

- objętość suwowa jednego cylindra, m

, n - prędkość obrotowa

silnika, s

-1

- liczba obrotów wału korbowego na jeden suw pracy (

= 1 - silniki dwusuwowe,

= 2 - silniki

czterosuwowe), i - liczba cylindrów.

T-12. BADANIE SILNIKA SPALINOWEGO O ZAPŁONIE ISKROWYM

Str. 13/30

rednie ciśnienie indykowane wyznacza się przez planimetrowanie wykresu indykatorowego i oblicza ze wzoru

⋅

(19)

gdzie:

- pole powierzchni wykresu indykatorowego, mm

- długość podstawy wykresu, mm,

- podziałka wykresu, mm/kPa.

Równanie bilansowe (6) można również przedstawić w innej postaci, odnosząc wszystkie składniki bilansu do

energii doprowadzonej z paliwem, wyrażając następnie poszczególne pozycje bilansu jako procentowe składniki.
Wówczas stosunek pracy użytecznej do ciepła doprowadzonego daje sprawność ogólną silnika.

100

odl

chl

⋅















(20)

2.7. WSKAŹNIKI I PARAMETRY PRACY SILNIKA SPALINOWEGO

Moment obrotowy silnika spalinowego, M

, jest średnią wartością momentu obrotowego przenoszonego z wału

korbowego silnika do odbiornika w czasie jednego cyklu pracy. Wyrażany jest w Nm, J lub kJ. Średni użyteczny
moment obrotowy oblicza się z zależności

⋅

(21)

⋅

(22)

gdzie:

- moc użyteczna, kW,

- średnie ciśnienie użyteczne, kPa,

- objętość suwowa jednego cylindra, m

- prędkość obrotowa silnika, s

-1

- liczba obrotów wału korbowego na jeden suw pracy (

= 1 - silniki

dwusuwowe,

= 2

- silniki czterosuwowe),

- liczba cylindrów.

rednie ciśnienie użyteczne, p

, charakteryzuje rzeczywistą zdolność silnika do wykonania pracy użytecznej i wynosi

⋅

(23)

gdzie:

- średnie ciśnienie indykowane, kPa,

- sprawność mechaniczna silnika.

Łatwo zauważyć, że dla danego silnika, gdy V

są stałe, moment obrotowy silnika jest wprost proporcjonalny do

redniego ciśnienia użytecznego, a więc i zmiany momentu zależą od średniego ciśnienia użytecznego.

Rozróżnia się pojęcia momentu obrotowego znamionowego rozwijanego przez silnik przy mocy znamionowej i

znamionowej prędkości obrotowej oraz momentu obrotowego maksymalnego, czyli największego momentu obrotowego
rozwijanego przez silnik występującego zwykle przy prędkościach obrotowych znacznie niższych od prędkości
znamionowej silnika.

Jednostkowe zużycie paliwa, g

, jest to ilość zużywanego przez silnik paliwa w jednostce czasu,

przypadająca na jednostkę mocy i wyrażane jest w g/kWh lub kg/kWh.

(24)

gdzie: G

- godzinowe zużycie paliwa, g/h lub kg/h,

- moc użyteczna, kW.

Godzinowe zużycie paliwa, G

, określa masę paliwa zużytego w jednostce czasu i jest wyrażane w kg/h.

pal

⋅

(25)

gdzie: V

- objętość pomiarowej dozy paliwa, m

pal

- gęstość paliwa, kg/m

- czas zużycia dozy pomiarowej, h.

Sprawność teoretyczna,

, zwana też sprawnością termiczną obiegu porównawczego Otto, wyraża się

wzorem podanym już wcześniej (1)

T-12. BADANIE SILNIKA SPALINOWEGO O ZAPŁONIE ISKROWYM

Str.14/30

−

(26)

gdzie:

- sprawność termiczna obiegu Otto;

= (V

+ V

)/V

- geometryczny stopień sprężania;

- wykładnik izentropy.

Jednak w rzeczywistości sprawność teoretyczna jest funkcją współczynnika nadmiaru powietrza

(zmienne

, zależne

od składu spalin). W praktyce, a zakresie tych współczynników

, przy których pracuje silnik, sprawność teoretyczna

jest bliska sprawności maksymalnej, patrz rys. 10.

Rys. 10. Wykres zależności sprawności teoretycznej

od współczynnika

nadmiaru powietrza

Moc teoretyczna, N

, jest mocą, którą uzyskiwałby silnik, gdyby realizował teoretyczny obieg porównawczy

silnika spalinowego z zapłonem iskrowym.

pal

⋅

(27)

gdzie:

- moc cieplną uzyskiwaną ze spalenia paliwa, czyli strumień ciepła dostarczony przez paliwo,

pal

- masa paliwa zużyta w jednostce czasu, kg/s,

- wartość opałowa paliwa, kJ/kg.

Sprawność indykowana,

, jest stosunkiem mocy indykowanej N

do mocy teoretycznej N

⋅

(28)

Sprawność mechaniczna,

, jest miarą strat mechanicznych spowodowanych tarciem i napędem urządzeń

pomocniczych

(29)

Sprawność ogólna,

, jest miarą wykorzystania energii zawartej w paliwie. Wyraża ją stosunek mocy

użytecznej do energii doprowadzonej do silnika

⋅

(30)

3. TYPOWA APARATURA POMIAROWA

Pomiar mocy użytecznej silników stanowi zasadniczy element w ocenie ich działania i przy sporządzaniu bilansów
cieplnych. Pomiary te są w zasadzie proste i wykazują znaczną dokładność.

Znane są dwie podstawowe metody wykonania pomiarów mocu użytecznej. Pierwsza z nich polega na

przekształceniu wytworzonej przez silnik pracy mechanicznej na inny rodzaj energii stosunkowo łatwy do zmierzenia.
Druga metoda opiera się na pomiarze momentu obrotowego powstajacego na wale silnika.

Podstawą drugiej metody jest zależność między mocą i momentem obrotowym przy danej prędkości

obrotowej. Jeżeli moc silnika potraktujemy jako wielkość niezmienną w czasie, to można przejść od mocy chwilowej

(31)

tj. różniczki pracy względem czasu, do wartości mocy uśrednionej definiowanej jako ilość pracy wykonanej przez silnik
w jednostce czasu. Jeżeli siła P (rys. 11) działa na obwodzie koła o promieniu r, obracającego się z prędkością kątową

T-12. BADANIE SILNIKA SPALINOWEGO O ZAPŁONIE ISKROWYM

Str. 15/30

[rad/s], to można stwierdzić, że przy obrocie o 1 radian wykonana zostanie praca Pr, a w ciągu 1 sekundy

razy więcej,

tj.

⋅

(32)

Rys. 11. Praca siły P na obwodzie koła o promieniu r i prędkości kątowej

Ponieważ iloczyn Pr równy jest momentowi obrotowemu M

⋅

(33)

to mamy

⋅

(34)

gdzie: M

- moment obrotowy, Nm/rad,

- prędkość kątowa, rad/s.

Widać stąd, że w celu określenia mocy wywiązanej przez badany silnik należy znać moment panujący na wale silnika
oraz prędkość kątową wału. Za pomocą wzoru (34) moc można określić wtedy, gdy znany jest moment obrotowy M i
prędkość kątowa

, przy której został on zmierzony. Wystarczy badany silnik obciążyć w pewien sposób, zapewniając

jednocześnie możliwość jednoczesnego pomiaru momentu obrotowego i prędkości kątowej wału. Do wywołania
obciążenia silnika używa się specjalnych hamulców.

3.1. HAMULCE SILNIKOWE

Podstawowym urządzeniem, w które musi być wyposażone stanowisko do badań silnika jest hamulec obciążeniowy do
pomiaru mocy. Powinien on spełniać następujące wymagania:

•

obciążać badany silnik momentem oporowym, czyli zrównoważyć moment silnika,

•

umożliwiać odprowadzenie wytworzonego przez silnik ciepła lub energii w innej postaci,

•

umożliwiać nastawienie i utrzymanie stałej prędkości obrotowej silnika,

•

zapewnić pomiar momentu obrotowego na wale silnika,

•

zapewnić szybką zmianę obciążenia i szybkie osiąganie stanu równowagi,

•

umożliwić ciągłą pracę,

•

zapewnić możliwie największą dokładność odczytów wielkości siły i prędkości obrotowej.

Ze względu na przedstawione tu wymagania i różnice w programach badań różnych silników powstały

odmienne rozwiązania hamulców obciążeniowych.

Z uwagi na sposób wywoływania obciążenia można je podzielić na hamulce:

- mechaniczne,
- powietrzne,
- hydrauliczne (wodne),
- elektryczne,
- elektrowirowe,
- urządzenia specjalne.

Hamulce mechaniczne należą do najstarszych urządzeń do badania mocy silników. Ze względu na rodzaj

konstrukcji rozróżnia się hamulce mechaniczne klockowe, zwane hamulcami Prony’ego, taśmowe i linowe. Dla
wszystkich wymienionych typów wspólna jest zasada działania polegająca na zamianie wytwarzanej przez silnik mocy
na ciepło tarcia, przylegających do siebie elementów. Wadą tych urządzeń jest ich szybkie nagrzewanie się, co utrudnia
zastosowanie do silników dużej mocy i uniemożliwia długotrwałą pracę [2, 4, 5].

Hamulce powietrzne działają na zasadzie pośredniego pomiaru reakcyjnego momentu obrotowego silnika

umieszczonego wahliwie w specjalnej obudowie i napędzającego śmigło lub odpowiednio ukształtowane łopatki [2, 4,
5].

Hamulce hydrauliczne są obecnie bardzo często wykorzystywane w badaniach silników. Istnieją różne

rozwiązania konstrukcyjne tych urządzeń, ale ich wspólną cechą jest to, że moment hamujący jest wywoływany na
skutek tarcia o wodę specjalnie ukształtowanego elementu wirującego, zaś praca silnika zamieniona zostaje na ciepło
odprowadzane przez wodę. Hamulce tego typu można ogólnie podzielić na następujące trzy grupy:

•

hamulce niecałkowicie napełnione (z pierścieniem wodnym),

•

hamulce całkowicie napełnione,

•

hamulce przepływowe.

Przedstawicielem grupy hamulców niecałkowicie napełnionych jest hamulec palcowy, często zwany hamulcem

Junkersa. Badany silnik poprzez sprzęgło napędza wał hamulca, na którym osadzony jest wirnik z palcami o

T-12. BADANIE SILNIKA SPALINOWEGO O ZAPŁONIE ISKROWYM

Str. 17/30

Rys. 15. Nowy układ regulacji przesłon.
1 - wirnik; 2 - wał; 3 - przesłona zaklinowana na wałku;
4 - przesłona zaklinowana na tulei; 6 - tuleja.

Woda wypełniająca kadłub hamulca stwarza opór hydrodynamiczny, który przenosi się w postaci momentu

oporowego  na  kadłub  hamulca.  Na  ramieniu  hamulca  powstaje  siła  P,  która  przez  popychacz  przenosi  się  na  układ
dźwigni działających na mechanizm dynamometru. Na wyskalowanej tarczy dynamometru pojawia się wskazanie siły P
w  kG.  Jednocześnie  mierzy  się  obroty  wirnika  hamulca.  Te  dwie  wielkości  oraz  znana  długość  ramienia L w metrach
(patrz  rys.  16),  umożliwiają  obliczenie  chwilowej  mocy  użytecznej  zgodnie  z  zależnością  (8).  Korzystając  z  praw
hydromechaniki  można  wykazać,  że  moc  użyteczna  N

(na wale) hamulca wodnego jest proporcjonalna do prędkości

obrotowej w trzeciej potędze

⋅

(35)

gdzie K

jest współczynnikiem proporcjonalności charakteryzującym stopień wypełnienia hamulca wodą, gęstość oraz

lepkość wody, wpływ kształtu i wymiarów elementów wirujących wytwarzających ciepło tarcia.

Rys. 16. Schemat pomiaru momentu oporowego hamulca przy użyciu wagi

Rys. 17. Charakterystyka hamulca hydraulicznego

W rzeczywistości krzywa hydrauliczna hamulca (czyli linia O-C-B na rys. 17) jest tylko fragmentem jego

charakterystyki. Ograniczenie wynikające z dopuszczalnej wartości siły obciążającej układ dynamometru P

max

powoduje, że moc użyteczną hamulca można wyrazić zależnością

⋅

(36)

Na wykresie jest to prosta przechodząca przez początek układu współrzędnych, czyli linia O-C-D na rys. 17. Moc
hamowania jest ograniczona do wartości N

u max

ze względu na dopuszczalny przyrost temperatury wody przepływającej

przez hamulec. Dla założonego przyrostu temperatury wody

∆

T = constans i maksymalnego strumienia masy wody

max

moc hamowania

∆

⋅

max

(37)

i nie zależy od prędkości obrotowej (linia D-E na rys. 17). Uwzględniając dokładność wyważenia wirnika hamulca i
występujące siły odśrodkowe, konieczne jest ograniczenie maksymalnej prędkości obrotowej. Ograniczenie to obrazuje
na rysunku charakterystyki hamulca odcinek E-G. Ostatnie ograniczenie linią O-G powstaje stąd, że nawet w przypadku
zupełnego opróżnienia hamulca z wody, jego opór nie znika całkowicie ( tarcie wirujących elementów o powietrze oraz

T-12. BADANIE SILNIKA SPALINOWEGO O ZAPŁONIE ISKROWYM

Str.18/30

opory tarcia wału w dławnicach i łożyskach). Linia O-G jest wykresem minimalnej mocy hamowania przy pracy
hamulca „na sucho”. Pole zakreskowane na rys. 17 jest obszarem pracy hamulca.

Hamulec tego typu zainstalowano na stanowisku badawczym w laboratorium Katedry Techniki Cieplnej i

Chłodnictwa PŁ.

Oprócz omówionych tutaj dwóch typów hamulców hydraulicznych wyróżnić jeszcze należy hamulce

przepływowe.  Przypominają  one  konstrukcją  sprzęgła  hydrokinetyczne,  z  tym  że  wirnik  hamulca  odpowiada  pompie
sprzęgła, a wieniec łopatkowy z obudową - unieruchomionej turbinie. Krążąca w urządzeniu ciecz (zwykle jest to woda)
pobiera  ciepło  wywiązywane  wewnątrz  hamulca  i  wypływa  do  obiegu  zewnętrznego,  gdzie  w  chłodnicy  zostaje  ono
odprowadzone  na  zewnątrz.  Regulację  obciążenia  uzyskuje  się  poprzez  zmianę  natężenia  przepływu  cieczy,  czyli
zmianę  ilości  wody  w  obiegu.  Również  ciśnienie  cieczy  wewnątrz  hamulca  będzie  mieć  pewien  wpływ  na  wartość
obciążenia. Więcej informacji na temat hamulca tego typu można znaleźć w literaturze [4, 5, 7].

Hamulce obciążeniowe elektryczne można podzielić na trzy grupy: hamulce-prądnice, silniko-prądnice oraz

hamulce elektrowirowe. We wszystkich przypadkach moment hamujący powstaje na skutek działania pola
magnetycznego, a jego pomiar wraz ze znajomością prędkości obrotowej prowadzi do określenia badanej mocy. Rozwój
tego typu urządzeń jest podyktowany chęcią odzyskania mocy traconej przy hamowaniu [4, 5].

Hamulce elektrowirowe wykorzystują zjawisko wydzielania się ciepła, jako efektu pracy prądów wirowych,

powstających w wyniku przecinania sztucznie wytworzonego pola magnetycznego specjalnie ukształtowanym wirnikiem
zębatym.  Woda  spełnia  tu  tylko  rolę  czynnika  transportującego  ciepło.  Stąd  obciążenie  wytwarzane  przez  tego  typu
hamulce  zależy  od  natężenia  prądu  płynącego  w  cewce.  O  powszechnym  zastosowaniu  tych  hamulców  zadecydowały
ich zalety, takie jak dość znaczny moment hamowania przy małych prędkościach obrotowych, charakterystyka o bardzo
małych  mocach  minimalnych,  mała  bezwładność  mas  wirujących,  cichy  i  równomierny  bieg,  itd.  Więcej  informacji
znajduje się w [5, 7].

Do określania mocy użytecznej silników oprócz omówionych już hamulców stosuje się też w specjalnych

przypadkach dynamometry sprzęgłowe i torsjometry [5, 7].

3.2. URZĄDZENIA DO POMIARU PRĘDKOŚCI OBROTOWEJ

Prędkość kątowa ciała, mówiąc ogólnie, jest to pochodna kąta obrotu

względem czasu. Wyrazić można ją również,

jako stosunek prędkości liniowej v pewnego punktu do promienia krzywizny toru, po którym ten punkt się porusza. W
układzie SI podstawową jednostką prędkości kątowej jest 1 radian na sekundę (rad/s). Jest to taka prędkość, przy której
obrót o kąt odpowiadający 1 radianowi, czyli 1/(2

) kąta pełnego, dokonuje się w ciągu 1 sekundy. Technika

pomiarowa w praktyce posługuje się legalnymi jednostkami pochodnymi: obr/s (2

rad/s) lub obr/min (2

/60 rad/s).

Prędkość kątową można zmierzyć dwoma sposobami. Pierwsza metoda, pośrednia, polega na zliczaniu liczby

obrotów za pomocą licznika i jednoczesnym pomiarze czasu. Tą metodą można uzyskać średnią prędkość obrotową,
jako iloraz zliczonej liczby obrotów przez zmierzony czas ich realizacji.

Bezpośredni sposób pomiaru polega na użyciu obrotomierzy (tachometrów) dających możliwość odczytania

chwilowej prędkości kątowej w dowolnych jednostkach. Jest to metoda mniej dokładna, a dokładność wskazań zależy
od typu i jakości wykonania samego przyrządu. Obrotomierze można podzielić na: mechaniczne, magnetyczne,
elektryczne-elektroniczne, impulsowe, wibracyjne i stroboskopowe.

Obrotomierze mechaniczne odśrodkowe działają na zasadzie wychylania się wirujących mas pod wpływem siły

odśrodkowej. Masy te są przytwierdzone do elementów sprężystych sprowadzających je do położenia wyjściowego.

Obrotomierze magnetyczne działają w ten sposób, że wałek o badanej prędkości obrotowej wprawia w ruch

magnes trwały, którego pole magnetyczne powoduje powstanie prądów wirowych w aluminiowej obudowie, co z kolei
powoduje powstanie momentu obrotowego na wałku z osadzoną wskazówką. Moment ten jest równoważony sprężyną.
Powstały moment obrotowy jest proporcjonalny do prędkości wirowania magnesu, a więc do mierzonej prędkości
obrotowej.

Obrotomierze elektryczne składają się z dwóch głównych części, czyli: nadajnika (prądniczka tachometryczna)

i wskaźnika, którym jest miernik napięcia, odpowiednio wzorcowany. Nadajnikiem jest prądniczka prądu stałego
dobrana w ten sposób, aby spełniona była proporcjonalność wzrostu napięcia przy wzroście prędkości obrotowej.

Obrotomierze impulsowe działają w ten sposób, że element, którego prędkość obrotową mierzymy używany

jest  jako  element  wywołujący  impulsy  np.  świetlne  lub  magnetyczne.  Impulsy  te  wywołują  odpowiednie  efekty  w
czujnikach.  Czujnik  indukcyjny  reaguje  bezdotykowo  na  przemieszczające  się  w  jego  strefie  czułości  metalowe
przesłony,  zęby,  a  jego  działanie  polega  na  pomiarze  okresu  częstotliwości  impulsów  wejściowych,  proporcjonalnych
do  kontrolowanej  prędkości.  Czujnik  fotoelektryczny  reaguje  na  obiekty  wykonane  z  dowolnego  materiału  mające  na
powierzchni kontrastowe znaczniki. Impulsy po wzmocnieniu i ukształtowaniu są prowadzone do licznika cyfrowego.

Obrotomierze wibracyjne (rezonansowe) zbudowane są jako zestaw płaskich metalowych sprężynek

przymocowanych do wspólnej ramy. Sprężynki przez nalutowanie cyny są tak wykonane, że mają kolejno coraz to
większą liczbę drgań własnych. Po przyłożeniu przyrządu do wirującej maszyny, zaczyna drgać na skutek rezonansu ta
sprężynka, której drgania własne odpowiadają prędkości obrotowej wirnika maszyny.

T-12. BADANIE SILNIKA SPALINOWEGO O ZAPŁONIE ISKROWYM

Str.20/30

Rys.19. Przyrząd do pomiaru masowego zużycia paliwa;
1 - Źródło prądu stałego, 2 - pręt kontaktowy, 3, 4 - zbiorniki
paliwa, 5, 6 - zawory trójdrogowe, 7 - przewód paliwowy, 8 -
naczynie pomiarowe z paliwem, 9 - waga, 10 - kotwiczka
elektromagnesu, 11 - stoper, 12 - cewka elektromagnesu [5]

Do bezpośredniego pomiaru zużycia paliwa można stosować przepływomierze i rotametry, jednak ze względu

na ich małą dokładność nie stosuje się ich w badaniach laboratoryjnych.

3.4. ANALIZATORY SKŁADU CHEMICZNEGO SPALIN

Określenie składu chemicznego spalin jest często konieczne podczas badań silników w celu:

•

prawidłowej regulacji gaźnika w silnikach z zapłonem iskrowym,

•

kontroli przebiegu procesu spalania w silnikach z zapłonem iskrowym i z zapłonem samoczynnym,

•

do oceny toksyczności spalin.

Stosowane w badaniach składu chemicznego spalin metody chemiczne, polegające na pochłanianiu i wiązaniu

poszczególnych  składników  spalin  przez  odpowiednio  dobrane  substancje  (jak  np.  w  aparacie  Orsata)  lub  też  metody
kolorymetryczne, gdzie odpowiednie związki zmieniały swe zabarwienie przy reakcji ze składnikami spalin, straciły już
swe  znaczenie  i  wyszły  z  powszechnego  użytku  ze  względu  na  małą  dokładność,  kłopotliwe  stosowanie  oraz  praco-  i
czasochłonność.  Zastąpiły  je  analizatory  oparte  na  metodach  fizycznych,  gdzie  wykorzystuje  się  określoną  cechę
fizyczną danego składnika spalin i określa jego stężenie w spalinach. Umożliwiają one określenie stężenia tylko jednego
składnika w spalinach, a więc często konieczne jest zastosowanie zespołu różnych analizatorów i zbudowanie wykresu
Ostwalda  dla  spalania  określonego  paliwa.  Zasadę  budowy  wykresu  Ostwalda  opisuje  Wiśniewski  [8],  a  przykładowe
obliczenia dla wybranych paliw można znaleźć w pracy [9].

Własności fizyczne poszczególnych składników spalin wykorzystywane w budowie różnych typów

analizatorów obejmują przewodnictwo cieplne, absorpcję promieniowania podczerwonego, jonizację, magnetyzm,
chemoluminescencję i inne.

Różnicę przewodnictwa cieplnego wykorzystano w analizatorach służących do określania w spalinach

zawartości CO

lub łącznej zawartości CO i H

. Zasadniczymi elementami analizatora są cztery druty oporowe,

platynowe tworzące mostek, umieszczone w ten sposób, że dwa oporniki omywane są powietrzem, a dwa spalinami o tej
samej temperaturze i ciśnieniu. Ze względu na to, że przewodnictwo cieplne CO

jest mniejsze od przewodnictwa

cieplnego powietrza, to oporniki omywane przez spaliny będą miały wyższą temperaturę w zależności od zawartości
CO

w spalinach. Spowoduje to zachwianie równowagi mostka i wychylenie wskazówki galwanometru wyskalowanego

w % zawartości CO

. Taka sama zasada pomiaru wykorzystana jest w analizatorach łącznej zawartości CO i H

spalinach. Tutaj jeden z oporników omywanych przez spaliny pokryty jest katalizatorem, co umożliwia dopalanie nie
spalonych cząstek CO i H

. W wyniku dopalania zmienia się temperatura spalin, a przez co i oporność jednej z gałęzi

mostka co powoduje wychylenie wskazówki miernika.

Analizatory oparte na zjawisku absorpcji promieniowania podczerwonego stosuje się zazwyczaj do oznaczania

zawartości w spalinach CO, CO

lub SO

. Zjawisko jonizacji gazów wykorzystuje się w analizatorach do oznaczania

sumarycznej  ilości  niespalonych  węglowodorów.  W  takim  detektorze  płomieniowo  -  jonizacyjnym  (FID  -  Flame
Ionisation  Detector)  spaliny  wraz  z  czystym  wodorem  spalane  są  w  palniku  z  doprowadzeniem  powietrza.  Płomień
wodorotlenowy  jest  niezjonizowany,  natomiast  wprowadzenie  węglowodorów  powoduje  jego  silną  jonizację
proporcjonalną  do  ilości  atomów  węgla  wprowadzonych  do  płomienia.  W  wyniku  jonizacji  ośrodka  zmienia  się  jego
przewodność  elektryczna,  a  więc  natężenie  prądu  płynącego  w  specjalnym  obwodzie,  co  mierzy  się
mikroamperomierzem.

Mierniki wykorzystujące magnetyzm stosuje się do oznaczania zawartości tlenu w spalinach. Oznaczenie takie

jest potrzebne do kontroli procesu spalania, określenia współczynnika nadmiaru powietrza, itp. Analizatory działające w
oparciu o zjawisko chemoluminescencji zostały specjalnie opracowane do oznaczania zawartości tlenków azotu w
spalinach.

T-12. BADANIE SILNIKA SPALINOWEGO O ZAPŁONIE ISKROWYM

Str. 21/30

Oprócz omówionych tu analizatorów różnych typów, określanie składu chemicznego spalin możliwe jest przy

zastosowaniu chromatografii gazowej. Posiada ona szereg zalet, takich jak oznaczanie śladowych ilości czynnika,
określania poszczególnych węglowodorów lub ich grup, itp., lecz znalazła ona zastosowanie tylko do specjalistycznych
badań wymagających dużej dokładności.

3.5.

POMIAR NATĘŻENIA PRZEPŁYWU CIECZY

W celu określenia straty chłodzenia dla silnika spalinowego konieczna jest znajomość strumienia masy płynu
przepływającego przez chłodnicę. Do pomiarów przepływów ustalonych lub niewiele zmieniających się w czasie bardzo
dobrze nadają się danaidy i naczynia Poncleta. Zapewniają one dokładny pomiar i są powszechnie używane w
laboratoriach i w przemyśle przy badaniach odbiorczych takich urządzeń jak pompy i maszyny cieplne.

Rys. 20. Danaida;
1 - otwór wylewowy, 2- przegroda z pełnej blachy, 3 - przegrody z blach
dziurkowanych, 4 - płynowskaz, 5 skala.

Danaida jest urządzeniem do pomiaru strumienia objętości wypływającej cieczy składającym się z naczynia o

przekroju kołowym lub prostokątnym, o sztywnych ściankach, w dnie którego umieszczono otwór lub otwory
wypływowe oraz z płynowskazu umożliwiającego pomiar wysokości słupa cieczy h nad tymi otworami (rys.20). W celu
uspokojenia powierzchni cieczy w części pomiarowej danaida posiada szereg przegród wykonanych z blachy pełnej lub
z blachy z otworami. Otwór wypływowy jest typu kryzy lub dyszy. Pomiar strumienia objętości przepływającej cieczy
danaidą opiera się o zależność tego strumienia od spiętrzenia (ciśnienia) cieczy, pod działaniem którego następuje
wypływ. Opisuje to równanie

⋅

(38)

gdzie: q

- strumień wypływającej cieczy, m

/s,

- współczynnik wypływu,

- pole przekroju otworu, m

- wysokość słupa cieczy nad otworem, m,

- przyspieszenie ziemskie, m/s

Współczynnik

dla otworu typu kryza wynosi 0,6÷0,65, zaś dla dyszy 0,92÷0,99. Wielkości te służą do

obliczenia średnicy otworu przy projektowaniu danaidy. Wzorcowanie danaidy polega na doświadczalnym ustaleniu
zależności między strumieniem objętości lub masy wypływającej cieczy a wysokością spiętrzenia, czyli

)

(

lub

)

(

. Odczyt wysokości słupa cieczy w danaidzie należy wykonać po ustaleniu stanu równowagi (h

= const), który powinien trwać minimum 3 minuty. Poziom cieczy nad otworem nie powinien być niższy od 300 mm,
największa prędkość przepływu cieczy przez przekrój danaidy nie może być większa od 0,1 m/s.

Identycznie zbudowane naczynie, ale z otworem wypływowym w ścianie bocznej nazywa się naczyniem

Poncleta. Wysokość słupa cieczy h w danaidzie mierzy się od poziomu najwęższego otworu wypływowego, zaś w
naczyniu Poncleta od środka otworu.

Możliwe jest wykorzystanie do tego typu pomiarów innego typu urządzeń, których budowę i parametry

robocze opisano w literaturze [6].

4. STANOWISKO BADAWCZE

Na rys. 21 przedstawiono schemat stanowiska pomiarowego do badania silnika spalinowego z zapłonem

iskrowym, na którym przeprowadza się ćwiczenia w Laboratorium Termodynamiki Katedry Techniki Cieplnej i
Chłodnictwa Politechniki Łódzkiej.

T-12. BADANIE SILNIKA SPALINOWEGO O ZAPŁONIE ISKROWYM

Str. 23/30

Badany obiekt, czyli silnik spalinowy 1 zawieszony jest sprężyście na czterech łapach umocowanych sztywno

na  płycie.  Do  zawieszenia  zastosowano  te  same  elementy  sprężyste,  które  stosuje  się  przy  mocowaniu  silnika  w
samochodzie.  Silnik  poprzez  sprzęgło  2,  skrzynię  biegów  3  i  wał  dwuprzegubowy  4  połączony  jest  z  hamulcem
hydraulicznym  5.  Takie  połączenie  umożliwia  prawidłową  pracę  stanowiska  nawet  wówczas,  gdy  oś  wału  korbowego
silnika jest przesunięta lub nachylona w stosunku do osi hamulca.

Zainstalowano tu hamulec hydrauliczny typu Froude’a, wykonany w Instytucie Techniki Cieplnej i

Chłodnictwa PŁ i oznaczony HH - 1. Jest on przeznaczony do badania silników o mocy do 75 kW i prędkości obrotowej
do 6000 obr/min. Długość ramienia pomiarowego dynamometru wynosi 238,5 mm, a maksymalna dopuszczalna siła na
tym ramieniu to 75 kG.

Maksymalne dopuszczalne ciśnienie wody w kadłubie hamulca (mierzone na dopływie) wynosi 0,4 MPa.

Maksymalny strumień przepływu wody przy wzroście jej temperatury o 25 K równy jest 2,5 m

/h. Zasadę działania i

budowę hamulca omówiono w rozdziale 3.1.

Hamulec jest zasilany wodą pod stałym ciśnieniem hydrostatycznym. Ciśnienie wody można dopływającej do

hamulca można regulować zaworem, a jego wartość odczytać na manometrze. Zmianę obciążenia hamulca
przeprowadza się obracając pokrętłem układu regulacji położenia przesłon hamulca (patrz rys. 15 i opis w rozdziale
3.1).

Prędkość obrotowa silnika mierzona jest przy pomocy prądnicy tachometrycznej 7, współpracującej z

miernikiem elektrycznym 8 wyskalowanym w obr/min.

Chłodzenie samego silnika zrealizowane jest na stanowisku w sposób podobny jak w samochodzie, tzn. w

obiegu zamkniętym. Jednak do odbioru ciepła z chłodnicy 16 wykorzystuje się wodę zamiast powietrza. Chłodnica
zatopiona jest w zbiorniku, przez który przepływa woda w obiegu otwartym.

Strumień objętości wypływającej cieczy mierzony jest przy pomocy danaidy 15, ze wskaźnikiem górnym 17

poziomu spiętrzenia cieczy. Z wykresu cechowania danaidy (rys. 22) odczytujemy masowe natężenie strumienia
przepływającej wody chłodzącej. Mierzymy także temperaturę wody na wejściu do wymiennika 16 i na wyjściu z tego
wymiennika dzięki miernikom temperatury, dla których odczyt następuje z tablicy rozdzielczej.

Układ wydechowy badanego silnika zbudowany jest z tych samych elementów, które stosowane są w normalnej

eksploatacji.  Z  tłumika  wydechu  spaliny  odprowadzane  są  do  komina,  a  stamtąd  do  atmosfery.  Bezpośrednio  za
kolektorem  wylotowym  zabudowana  jest  termopara,  zaś  odczyt  temperatury  spalin  realizowany  jest  z  pulpitu
sterowniczego. W układzie wydechowym umieszczona jest końcówka umożliwiająca pobór spalin do analizy.

Analizę składu chemicznego spalin wykonuje się przy pomocy uproszczonego aparatu Orsata 13, a pozostałe

składniki odczytuje z wykresu Ostwalda (rys. 23), opracowanego specjalnie dla spalania paliwa o określonym składzie
chemicznym. Ponieważ wykorzystanie analizatora Orsata jest kłopotliwe w praktycznym stosowaniu i bardzo
pracochłonne i czasochłonne, to na stanowisku wykorzystuje się miernik wskazujący prawidłowość składu spalin, a
pomiary wykonuje się tylko co jakiś czas.

Układ paliwowy stanowiska jest układem otwartym składającym się ze zbiornika paliwa 9, pompy służącej do

jego napełniania, miernicy zużytego paliwa 11 i układu zaworów sterujących 10 oraz przewodów paliwowych
prowadzących do gaźnika 12. Zawory ustawiane są ręcznie, także pomiar czasu zużycia określonej objętości paliwa (25
cm

) mierzony jest ręcznie.

Opisane tu stanowisko ma charakter uniwersalny i służy do zdejmowania podstawowych charakterystyk silnika

i wykonania jego bilansu energetycznego. Przy badaniach specjalistycznych musi zostać ono dodatkowo wyposażone w
szereg zestawów aparatury pomiarowej.

T-12. BADANIE SILNIKA SPALINOWEGO O ZAPŁONIE ISKROWYM

Str.26/30

OBIEKT BADAŃ

Obiektem badań jest spalinowy silnik samochodowy o zapłonie iskrowym, służący do napędu samochodu osobowego
FSO 1300 (Polski FIAT). Silnik zamontowany jest na stanowisku pomiarowym (rys. 21).

Charakterystyka techniczna silnika FIAT 1160.076

Rodzaj silnika - czterosuwowy.

Liczba cylindrów - cztery w układzie rzędowym.

rednica cylindra - 72 mm.

Skok tłoka - 79,5 mm.

Pojemność skokowa - 1295 cm

Stopień sprężania -

= 9.

Moc maksymalna (DIN)

5% - 65 KM (47,8 kW).

Moc maksymalna (SAE)

5% - 75 KM (55,2 kW).

Prędkość obrotowa przy mocy maksymalnej 5300 obr/min.

Moment maksymalny (DIN)

5% - 9,5 kGm (93,2 Nm).

Moment maksymalny (SAE)

5% - 10,5 kGm (103 Nm).

Prędkość obrotowa przy momencie maksymalnym - 4000 obr/min.

Rozrząd - górnozaworowy, wał rozrządu w kadłubie silnika.

Gaźnik - dwugardzielowy typu WEBER - 34DCHD-1.

Instalacja zapłonowa - 12 V.

Paliwo - Benzyna wysokooktanowa (U - 95) o właściwościach:

skład chemiczny C = 85%, H = 15%,

gęstość

= 720 kg/m

wartość opałowa Q

= 43,50 MJ/kg.

6. POMIARY

UWAGA! Do pomiarów przystępujemy po dokładnym zapoznaniu się z poniższym rozdziałem instrukcji.

6.1. CHARAKTERYSTYKI SILNIKA

6.1.1. SPOSÓB WYKONANIA NIEZBĘDNYCH POMIARÓW

1 - Otwarcie przepustnicy gaźnika reguluje się linką zakończona cechowanym suwakiem. Na suwaku zaznaczone są
kreskami położenia odpowiadające 25%, 50%, 75% i 100% otwarcia przepustnicy.
2 - Pomiary zużycia paliwa wykonuje się przy pomocy szklanej miernicy i stopera. Mierzony jest czas zużycia 25 cm

paliwa.
3 - Prędkość obrotowa silnika mierzona jest na wale przy użyciu obrotomierza elektrycznego współpracującego z
przekaźnikiem tachometrycznym (prądniczka).
4 - Pomiar mocy użytecznej silnika spalinowego oparty jest na pomiarze momentu obrotowego na wale napędowym. Do
pomiaru zastosowano hamulec hydrauliczny typu Frouda.

6.1.2. TOK POMIARÓW

Po przekręceniu kluczyka w prawo na pulpicie sterowniczym uruchomiony zostaje silnik. Należy poczekać na

ustalenie się warunków cieplnych pracy silnika, a następnie, sterując stopniem otwarcia przepustnicy gaźnika, ustalić
prędkość obrotową na zdanym poziomie. Przy 25% otwarcia przepustnicy, silnik obciąża się hamulcem w ten sposób,
aby prędkość obrotowa na wale silnika ustaliła się na poziomie 2400 obr/min. Odpowiada to dolnej wartości mierzonej
mocy. Po ustaleniu parametrów roboczych na tym poziomie należy odczytać wskazanie dynamometru hamulca (siła P) i
jednocześnie zmierzyć czas zużycia 25 cm

paliwa (zużycie paliwa G

). Uzyskane wyniki pomiarowe należy zapisać w

Tabeli Pomiarowej. Uzyskane dane umożliwiają ustalenie jednego punktu pomiarowego na wykresach N

= f(n), M

f(n) i g

= f(n). Dalsze punkty charakterystyk uzyskuje się wykonując pomiary przy coraz to wyższych prędkościach

obrotowych, zmienianych o 200 obr/min aż do osiągnięcia 4000 obr/min. Drugą serię pomiarową wykonuje się w
identyczny sposób przy 50% otwarciu przepustnicy gaźnika.

T-12. BADANIE SILNIKA SPALINOWEGO O ZAPŁONIE ISKROWYM

Str. 27/30

6.2. BILANS ENERGETYCZNY SILNIKA SPALINOWEGO

6.2.1. SPOSÓB WYKONANIA NIEZBĘDNYCH POMIARÓW

Oprócz pomiarów omówionych w punkcie 6.1.1 dodatkowo wykonuje się pomiary:
1 - W celu obliczenia strumienia cieplnego odprowadzanego przez wodę chłodzącą silnik, czyli straty chłodzenia,

mierzy się termoparami temperaturę wody chłodzącej na wlocie i wylocie z wymiennika ciepła oraz spiętrzenie
wody w danaidzie. Masowe natężenie przepływu wody ustala się na podstawie wykresu cechowania danaidy
(rys.22);

2 - Określenie strumienia ciepła odprowadzonego ze spalinami wymaga wykonania analizy spalin (aparatem Orsata lub

innym analizatorem). Wyniki wykorzystuje się również do obliczenia straty niezupełnego spalania. Brakujące
udziały odczytuje się z wykresu Ostwalda (rys.23). Ponadto mierzy się temperaturę spalin przy pomocy
termoelementu umieszczonego w kolektorze wydechowym silnika. Temperaturę otoczenia mierzy się termometrem
rtęciowym.

3 - Do wyznaczenia strat mechanicznych konieczna jest znajomość mocy indykowanej silnika. W przypadku, gdy

wykres indykatorowy nie jest zdejmowany, straty mechaniczne nie są wyznaczane.

6.2.2. TOK POMIARÓW

W czasie wykonywania ćwiczenia, pomiary niezbędne do zestawienia bilansu energetycznego realizowane są, gdy silnik
pracuje  przy  przepustnicy  otwartej  w  50%  i  z  prędkością  obrotową  3000  obr/min.  W  celu  sprawdzenia  stabilności
warunków  pomiarów  i  poprawy  dokładności  bilansu  energetycznego  wykonuje  się  kilka  pomiarów  wymienionych
wartości  (np.  5  w  odstępach  minutowych).  Próbkę  spalin  do  analizy pobiera się raz. Wyniki pomiarów zapisuje się w
Tabeli Pomiarowej, w części dotyczącej bilansu energetycznego.

7. OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW

Wyniki pomiarów zostały zapisane w Tabeli Pomiarowej. Obliczenia przeprowadza się z zależnościami podanymi w
rozdziale 2 tej instrukcji i zapisuje w Tabeli Wielkości Obliczonych. Na podstawie tych wyników wykreśla się
następujące charakterystyki:

= f(n),

= f(N

);

Przykładowe charakterystyki prędkościowe dla innego silnika spalinowego o zapłonie iskrowym, przy czterech

różnych otwarciach przepustnicy gaźnika, przedstawione zostały na rys. 5.

Wyniki obliczonego bilansu energetycznego silnika spalinowego można przedstawić w formie wykresu

pasmowego (wstążkowego) Sankey’a. Postać graficzna jest wygodna do analizy i porównania pracy danego silnika z
innymi silnikami.

LITERATURA

1. Bernhardt M. : Badania trakcyjnych silników spalinowych. WKiŁ, Warszawa 1970.
2. Bernhardt M., Dobrzyński S., Loth E. : Silniki samochodowe. WKiŁ, Warszawa 1978.
3. Werner J., Wajand J.A. : Silniki spalinowe małej i średniej mocy. WNT, Warszawa 1983.
4. Pomiary w technice cieplnej. Praca zbiorowa pod redakcją F. Kotlewskiego i M. Mieszkowskiego. WNT, Warszawa
1974.
5. Pomiary cieplne i energetyczne. Praca zbiorowa pod redakcją M. Mieszkowskiego. WNT, Warszawa 1981 i 1985.
6.  Pomiary  cieplne.  Część  I.  Podstawowe  pomiary  cieplne.  Praca  zbiorowa  pod  redakcją  T.R.  Fodemskiego.  WNT,
Warszawa 1993, 2001.
7.  Pomiary  cieplne.  Część  II.  Badania  cieplne  maszyn  i  urządzeń.  Praca  zbiorowa  pod  redakcją  T.R.  Fodemskiego.
WNT, Warszawa 1993, 2001.
8. Wiśniewski S. : Termodynamika techniczna. WNT, Warszawa 1980 i 1987.
9.  Zbiór  zadań  z  termodynamiki.  Praca  zbiorowa  pod  redakcją  T.R.  Fodemskiego.  Wyd.  Politechniki  Łódzkiej,  Łódź
1996 i 1999.
10. Rażnievic K. : Tablice cieplne z wykresami. WNT, Warszawa 1966.

T-12. BADANIE SILNIKA SPALINOWEGO O ZAPŁONIE ISKROWYM

Str.28/30

PYTANIA SPRAWDZAJĄCE

1. Silnik samochodu osobowego zużywa 6 l/h paliwa o składzie: C = 0,855; H = 0,1445; S = 0,0005; o gęstości

= 726 kg/m

i wartości opałowej Q

= 43,5 MJ/kg. Powietrze dostarczane jest z 15% nadmiarem (

= 1,15).

Temperatura mieszanki paliwowo - powietrznej przed spaleniem wynosi t

= 20°C, a temperatura spalin t

= 520°C.

Gęstość powietrza w temperaturze 20°C wynosi

pow.

= 1,205 kg/m

, a ciepła właściwe gazów spalinowych są

następujące:

H O

kJ / kg K;

kJ / kg K.

⋅

115

0 808

2 13

112

1 05

Obliczyć moc cieplną uzyskiwaną ze spalenia paliwa, ilość spalin suchych i mokrych oraz ich skład masowy, a także
zapotrzebowanie powietrza do spalenia paliwa. Określić również stratę odlotową, czyli ilość ciepła unoszoną przez
spaliny.

2. Wykonać bilans energetyczny silnika spalinowego czterosuwowego z zapłonem samoczynnym o objętości

skokowej 9 litrów, mocy użytecznej N

= 40,4 kW przy n = 1000 obr/min. Przyjąć współczynnik zasysania (stosunek

objętości rzeczywiście zasysanej do objętości skokowej silnika) równy 0,95. Powietrze osiąga na końcu procesu
zasysania parametry: ciśnienie 0,96 bar i temperaturę 67°C. Silnik zużywa, przy stałym obciążeniu, 10 kg/h paliwa o Q

= 42.000 kJ/kg. Temperatura spalin wylotowych wynosi 410°C. Silnik pracuje w otoczeniu o temperaturze 20°C.
Natężenie przepływu wody chłodzącej wynosi 10 l/min, przy czym woda podgrzewa się od 20°C na wlocie do 78°C na
wylocie z silnika. Średnie ciepło właściwe spalin należy przyjąć jako równe c

= 1,05 kJ/kg K, a powietrza c

= 1,00

kJ/kg K. W bilansie określić (w kW i procentach) pracę użyteczną, stratę odlotową, stratę chłodzenia i pozostałe straty.

3. Wyprowadzić wzór na sprawność termiczną obiegu:

a) Otto; b) Diesla; c) Sabathe’a.

4. Zasada działania i konstrukcja silnika :

a) czterosuwowego z zapłonem iskrowym,

b) dwusuwowego z zapłonem iskrowym,

c) wysokoprężnego.

5. Zbudować wykres Ostwalda dla spalania benzyny o składzie masowym:

a) C - 87%; H -13%; b) C - 84%; H - 16%.

6. Do czego służy karburator, jak jest zbudowany i jak działa?

7. Charakterystyki silnika spalinowego:

a) prędkościowe,

b) obciążeniowe,

c) regulacyjne.

8. Bilans energetyczny silnika spalinowego.

9. Budowa i zasada działania hamulca wodnego typu Frouda.

10. Obliczyć parametry stanu p, v, T w węzłowych punktach obiegu Otto, pracę odniesioną do 1 kg czynnika

roboczego i sprawność termiczną obiegu przy danych: temperatura T

= 343 K i ciśnienie p

= 0,1 MPa początku

kompresji, stopień kompresji

= 8, ciepło doprowadzone do czynnika wykonującego obieg q

= 250 kJ/kg, czynnik

roboczy ma właściwości powietrza.

T-12. BADANIE SILNIKA SPALINOWEGO O ZAPŁONIE ISKROWYM

Str. 29/30

Ćwiczenie T12

TABELA POMIAROWA

silnik FIAT 116C.046

Data

Grupa

nr silnika 315836

DZIEŃ MIESIĄC

ROK

Otwarcie przepustnicy gaźnika 25%

Obroty silnika

n, obr/min

2400

2600

2800

3000

3200

3400

3600

3800

4000

Siła na hamulcu

P, kG

Czas zużycia

25 cm

paliwa

ττττ

, s

Otwarcie przepustnicy gaźnika 50%

Obroty silnika

n, obr/min

2400

2600

2800

3000

3200

3400

3600

3800

4000

Siła na hamulcu

P, kG

Czas zużycia 25

paliwa

ττττ

, s

Temp. wody

dopływającej t

, °C

Temp. wody

dopływającej

, °C

Spiętrzenie

danaidy h , mm

Temperatura

spalin t

, °C

Udział

objętościowy

w spalinach

Udział

objętościowy O

w spalinach %

B I L A N S

temperatura otoczenia t

= °C

ciśnienie barometryczne p

= mm Hg

...........................................

Podpis prowadzącego ćwiczenie

T-12. BADANIE SILNIKA SPALINOWEGO O ZAPŁONIE ISKROWYM

Str.30/30

Data

Grupa

DZIEŃ

MIESIĄC

ROK

TABELA WIELKOŚCI OBLICZONYCH

odl

ΣΣΣΣ

ηηηη

obr/min

kg/h

kg/kWh

L.p.

Charakterystyka

Bilans energetyczny

2400

2600

2800

3000

3200

3400

3600

3800

4000

2400

2600

2800

3000

3200

3400

3600

3800

4000