Przyrządy diagnostyczne

Do sprawdzania stopnia zużycia i wykrywania niedomagań potrzebne są odpowiednie przyrządy. Przyrządy te zwykle kompletuje się w tzw. zestawy diagnostyczne. W praktyce najczęściej spotyka się zestawy diagnostyczne do sprawdzania całych ciągników, a nie tylko samych silników. W skład zestawu wchodzą takie przyrządy do sprawdzania silnika, jak: stetoskop (defekton) manometry, przedmuchomierz oraz przyrządy i próbniki do wykrywania niedomagań w zespołach układu zasilania i w zespołach elektrycznych. Przyrządy zaopatruje się w końcówki, którymi można je podłączać do odpowiednich elementów danego typu silnika. Jeżeli zestaw diagnostycznych przyrządów jest uniwersalny, a więc dostosowany do kilku typów silników (ciągników), to szereg tych przyrządów musi być wyposażony w wymienne końcówki, które pozwalają założyć je na odpowiedni typ silnika. Do celów diagnostycznych silników gaźnikowych samochodów używane są też kompleksowe urządzenia. Przy użyciu urządzenia, w skład którego wchodzą różne przyrządy pomiarowe, łącznie z aparaturą elektroniczna, skontrolować działanie iskrowego układu zapłonowego, procesy zachodzące w cylindrze, zmierzyć liczbę obrotów silnika, ciśnienie itp.

Sprawdzanie stanu technicznego układu korbowego i rozrządu oraz inne pomiary

Stan zużycia elementów układu korbowego i rozrządu można skontrolować, poprzez osłuchanie silnika stetoskopem, pomiar ciśnienia sprężania w cylindrze, pomiar podciśnienia w rurze ssącej, pomiar przedmuchu gazów spalinowych w skrzyni korbowej, sprawdzenie ciśnienia oleju i jego przepływ przez łożyska oraz poprzez analizę spalin. Zwykle wykonuje się kilka pomiarów w celu dokładnego ustalenia stanu zużycia i upewnienia się, że jest zużyta ta czy też inna część. Jeżeli mierzy się ciśnienie sprężania, to trzeba sobie zdać sprawę z tego, że na nieszczelności przestrzeni zamkniętej w cylindrze składać się może nieszczelność zaworów, zespołu tłoka z pierścieniami i cylindrem oraz uszkodzenie uszczelki głowicy. Inne dalsze pomiary będą miały na celu ustalenie, czy nieszczelność ta jest spowodowana nieszczelnością zaworów, czy też innych elementów. W ramach diagnostyki wykonuje się szereg innych pomiarów i prób w celu sprawdzenia stanu technicznego i wykrycia niedomagań układu paliwowego, chłodzenia i smarowania, układu rozruchowego i wyposażenia elektrycznego jak również wskaźników.

Charakterystyka silnika

Charakterystyką silnika nazywa się przedstawioną wykreślnie zależność wskaźnika (lub wskaźników) pracy od innego wskaźnika lub czynnika wpływającego na pracę silnika. Charakterystyki służą do oceny właściwości dynamicznych i ekonomicznych silników w różnych warunkach ich pracy oraz informują o zakresach stosowania silników. Charakterystyki wykreśla się na podstawie danych uzyskanych z pomiarów. Przybliżoną charakterystykę projektowanego silnika można sporządzać na podstawie obliczeń. Konstruktor lub prowadzący badania mogą wpłynąć na właściwości projektowanego silnika poprzez czynniki określające przebieg zmian, czyli przez właściwy dobór parametrów rozrządu (przekrojów zaworów, kątów otwarcia zaworów, zarysu krzywki itp.), wymiarów i kształtów układu dolotowego i wylotowego oraz poprzez odpowiedni dobór i regulację urządzeń zasilania paliwem. Jest to proces przerywany, dzięki czemu nie ma obawy przekroczenia dopuszczalnego poziomu temperatur – nie musimy, więc się martwić o bezpieczeństwo.

Charakterystyki w funkcji prędkości obrotowej

Charakterystyki w funkcji prędkości obrotowej są szczególnie przydatne do oceny tych silników, które pracują ze zmiennymi prędkościami obrotowymi, a mianowicie: silników samochodowych, kolejowych, lotniczych, okrętowych itp. Do tej grupy należą charakterystyki przedstawiające zmiany mocy użytecznej Ne, momentu obrotowego M”, średniego ciśnienia użytecznego pe, a ponadto godzinowego Ge oraz jednostkowego ge zużycia paliwa w zależności od zmian prędkości obrotowej n wału korbowego silnika. Charakterystyka zewnętrzna (charakterystyka pełnej mocy) przedstawia wykreślnie zależność Ne, M0,pe, Ge oraz ge od prędkości obrotowej silnika przy największym otwarciu urządzeń zasilających i regulacji – ustalonych przez wytwórcę silnika. Zmiany M” oraz pe przedstawia ta sama krzywa przy różnych podziałkach dla rzędnych wykresu. Moment obrotowy otrzymuje się bezpośrednio z pomiaru, a średnie ciśnienie użyteczne oblicza się ze wzoru. Powoduje to przesuwanie się maksimum krzywych pe (a także krzywych Ne) w kierunku mniejszych n.

Średni wykładnik

W znamionowych warunkach pracy średni wykładnik politropy sprężania zmienia się zwykle w granicach 1,3 + 1,4 – zależnie od podanych poprzednio czynników. Podczas rozruchu zimnego silnika wykładnik nt wynosi 1,2+1,25. Średni wykładnik politropy sprężania może być określony na podstawie znajomości ciśnienia na początku i na końcu sprężania według wzoru pewnego. Stopień sprężania s. Nominalnym stopniem sprężania lub krótko stopniem sprężania nazywamy stosunek całkowitej objętości cylindra V do objętości komory sprężania V0. W silnikach dwusuwowych często stosuje się pojęcie rzeczywistego stopnia sprężania st, wyrażającego się stosunkiem objętości cylindra w chwili zamknięcia okien podczas suwu sprężania do objętości komory sprężania. W silnikach z zapłonem iskrowym stopnie sprężania mają zasadniczy wpływ na ich wskaźniki pracy. W celu uzyskania jak najmniejszego zużycia paliwa i możliwie dużej mocy należy dążyć do stosowania dużych stopni sprężania. Zjawisko spalania stukowego i względy wytrzymałościowe narzucają tu jednak ograniczenia.

Dobór stopnia sprężania

Dobór stopnia sprężania w silniku z zapłonem iskrowym zależy od liczby oktanowej przewidywanego paliwa oraz konstrukcji komory spalania, materiałów głowicy i tłoka, wymiarów cylindra i przeznaczenia silnika. Orientacyjnie można przyjąć następującą zależność między liczbą oktanową a stopniem sprężania silnika gaźnikowego bez doładowania. Zależnie od przeznaczenia silnika gaźnikowego stosuje się zwykle następujące stopnie sprężania: – silniki europejskich samochodów osobowych – s = 6,5 + 8,5 – silniki amerykańskich samochodów osobowych – s = 8,0+10,5; – silniki samochodów sportowych i wyścigowych s = 8,0+12,0; – silniki motocykli użytkowych – s = 5,5+7,5; – silniki samochodów ciężarowych i autobusów – s = 6,0 -f 7,5; – silniki ciągników – s = 6,0-ł- 7,5. Duże stopnie sprężania w amerykańskich samochodach tłumaczy się użyciem paliwa o dużej liczbie oktanowej i stosowaniem w silnikach widlastych bardzo korzystnych, klinowych komór spalania. Wyścigowe silniki samochodowe i motocyklowe zasilane są specjalnymi paliwami o szczególnie dużych liczbach oktanowych.

Przebieg sprężania

Rzeczywisty przebieg krzywej sprężania znacznie odbiega od założonej w obiegu porównawczym adiabaty”. Przyczyną tego jest wymiana ciepła między czynnikiem a ściankami cylindra – o zmiennej intensywności, a nawet o zmiennym znaku (na początku sprężania – podgrzewanie czynnika od ścianek, na końcu – podgrzewanie ścianek od sprężonego czynnika). Poza tym przebieg sprężania zakłóca: zmniejszanie się chłodzonej powierzchni cylindra w miarę zbliżania się tłoka do GMP, uchodzenie gazów przez pierścienie do skrzyni korbowej oraz parowanie ciekłego paliwa doprowadzonego w czasie suwu dolotu (silniki gaźnikowe) lub wtryśniętego pod koniec sprężania (silniki wtryskowe). Sprężanie charakteryzuje więc krzywa o ustawicznie zmiennym wykładniku. W celu uproszczenia obliczeń cieplnych sprężanie traktuje się jako przemianę politropową o stałym wykładniku średnim. Średni wykładnik powinien być tak dobrany, aby obliczone parametry końca sprężania były takie same, jak w przypadku uwzględniania zmienności wykładnika rzeczywistego.

Średni wykładnik politropy sprężania

Wielkość średniego wykładnika politropy sprężania zależy przede wszystkim od intensywności chłodzenia i wymiarów cylindra oraz od prędkości obrotowej silnika. Wzrost intensywności chłodzenia (np. przez spotęgowanie cyrkulacji wody chłodzącej, zastosowanie tłoków ze stopów lekkich, zastosowanie chłodzenia denka tłoka) powoduje zmniejszenie . Wartości Ťt dla silników chłodzonych wodą są mniejsze niż dla silników chłodzonych powietrzem. W silnikach o zwiększonych wymiarach cylindrów wykładnik Ťx jest zwykle nieco większy, ponieważ względna powierzchnia chłodzenia F, przypadająca na jednostkę objętości cylindra V, zmienia się odwrotnie proporcjonalnie do średnicy cylindra D. Wzrost prędkości obrotowej silnika skraca czas trwania procesu sprężania, a tym samym zmniejsza odprowadzenie ciepła od czynnika i jego ucieczkę do skrzyni korbowej. Z tych względów zwiększenie prędkości obrotowej silnika powoduje wzrost wykładnika nx. Wielkość ną wzrasta również i w miarę zwiększania obciążenia w wyniku podwyższania się średniej temperatury ścianek.

Wskaźnik prof. Flossela

Wskaźnik elastyczności prędkości obrotowej wyraża się stosunkiem prędkości obrotowej odpowiadającej największej mocy (lub n” w silniku z regulatorem) do prędkości obrotowej odpowiadającej największemu momentowi obrotowemu. Silnik odznaczający się większą wartością wskaźnika en ma większy, możliwy do wykorzystania, zakres prędkości obrotowej i dzięki temu bardziej nadaje się do celów trakcyjnych. Zwykle e” zawiera się w zakresie od 1,3 do 2,0. Wskaźnik elastyczności całkowitej jest iloczynem obu wymienionych poprzednio wskaźników. Wskaźnik ten został wprowadzony przez prof. Flossela w celu scharakteryzowania całkowitej elastyczności silnika za pomocą jednej tylko wielkości. Przeciętnie wartości E zawierają się w granicach od 1,5 do 2,5. Wśród silników z zapłonem iskrowym większą elastycznością cechują się modele samochodowe, mniejszą zaś motocykle. W silnikach z zapłonem samoczynnym większe wartości em odpowiadają silnikom wyposażonym w korektory wydatku paliwa (patrz w podobnym artykule).

Silnik o regulacji szybkoobrotowej

Silnik o regulacji szybkoobrotowej jest przystosowany do pracy w dość wąskim przedziale prędkości obrotowych bliskich prędkości znamionowej. Taką regulację stosuje się w silnikach samochodów wyścigowych i sportowych, w silnikach niektórych samochodów ciężarowych oraz w silnikach lotniczych i okrętowych. Charakterystyka silnika o regulacji wolnoobrotowej odznacza się tym, że krzywa pe ma swoje maksimum w zakresie n = (0,4-r0,5)/zn i opada stromo w miarę zwiększania prędkości obrotowej (duża elastyczność silnika). Krzywa Ne takiego silnika natomiast jest bardziej wypukła, ma większy promień zaokrąglenia i osiąga wartość Nemax mniejszą niż przy regulacji szybkoobrotowej. Silniki o regulacji wolnoobrotowej są stosowane wówczas, gdy zależy nie tyle na dobrym wykorzystaniu objętości skokowej, ile na łatwym rozruchu, zdolności szybkiego przystosowania się silnika do zmian obciążenia w czasie pracy, łatwym przyspieszaniu pojazdu i małym zużyciu paliwa w szerokim zakresie prędkości obrotowych, a więc w większości samochodów osobowych znacznej części samochodów ciężarowych i w większości innych użytkowych pojazdów drogowych.