W ramach współpracy z firmą Conrad Electronic Polska, która przekazała mi część niezbędnych części do wykonania stanowiska badawczego, powstanie trzyczęściowy artykuł opisujący budowę stanowiska i pokazujący jego funkcjonalność.
Część pierwsza niniejszego artykułu opisuje koncepcję stanowiska do badań silnika spalinowego powstającego w ramach mojej pracy inżynierskiej. W części tej znajdziemy motyw podjęcia tematu, cel pracy oraz podstawową teorię dotyczącą badań silników. Opiszę także części, które otrzymałem od firmy Conrad Electronic Polska.
Część druga będzie opisywać sposoby pomiarów wielkości fizycznych oraz przedstawiać gotowe rozwiązania konstrukcyjne zastosowane w stanowisku badawczym. W części tej opiszę również krótko komunikację między urządzeniami i sterowanie.
Część trzecia wykonana w formie filmu będzie przedstawiać możliwości stanowiska badawczego.
Pomysł na zaprojektowanie i wykonanie stanowiska do badań silnika zrodził się podczas praktyk w Przemysłowym Instytucie Motoryzacji. Zaangażowałem się w badania silników i ich emisji substancji szkodliwych i postanowiłem, że zbuduję swoje własne stanowisko hamulcowe, na którym będę mógł prowadzić dowolne doświadczenia, bez aprobaty i wkładu finansowego władz wydziału SiMR. Badania prowadzone na stanowisku pozwalają łatwo zaobserwować procesy zachodzące w silnikach spalinowych oraz w sposób empiryczny potwierdzać zdobytą na wykładach wiedzę.

Praca inżynierska

Celem mojej pracy inżynierskiej jest zaprojektowanie i wykonanie stanowiska do badań małego silnika dwusuwowego z wtryskiem bezpośrednim. Założeniem jest to, aby stanowisko hamowniane miało możliwie zbliżoną funkcjonalność do urządzeń komercyjnych. Stanowisko badawcze będzie umożliwiać pomiar takich wielkości fizycznych jak:
  • prędkość obrotowa silnika,
  • moment obrotowy,
  • objętościowe natężenie przepływu paliwa zużywanego przez silnik,
  • stężenie substancji szkodliwych,
  • kąt otwarcia przepustnicy,
  • masowe natężenie przepływu powietrza zużywanego przez silnik,
  • ciśnienie względne w kolektorze dolotowym,
  • temperatura cieczy chłodzącej,
  • temperatura gazów spalinowych.

Powyższe pomiary pozwolą na obliczenie:
  • mocy użytecznej silnika,
  • jednostkowego zużycia paliwa,
  • współczynnika napełnienia cylindra,
  • sprawności ogólnej silnika,
  • emisji jednostkowej substancji szkodliwych.

Otrzymane wielkości fizyczne posłużą do wyznaczenia charakterystyk jako zależności między wielkościami fizycznymi i parametrami w określonych warunkach pracy silnika.

Charakterystyki pracy silnika

Podstawowymi charakterystykami wyznaczanymi dla silnika o zapłonie iskrowym są:
  1. Zewnętrzna charakterystyka prędkościowa przedstawia zależność parametrów i wielkości fizycznych sporządzonych przy w pełni otwartej przepustnicy od prędkości obrotowej silnika [2, 3].

    Nazwa:  123.jpg
Wyświetleń: 543
Rozmiar:  74.5 KB
    Rysunek 1. Zewnętrzna charakterystyka prędkościowa momentu obrotowego, mocy użytecznej i jednostkowego zużycia paliwa silnika o zapłonie iskrowym

  2. Charakterystyka obciążeniowa przestawia zależność parametrów od momentu obrotowego silnika dla założonej prędkości obrotowej [1, 3].

Nazwa:  124.jpg
Wyświetleń: 559
Rozmiar:  34.6 KB
Rysunek 2. Charakterystyka obciążeniowa masowego natężenia zużycia paliwa, jednostkowego zużycia paliwa i sprawności ogólnej silnika o zapłonie iskrowym dla prędkości obrotowej 4000 min-1


Możliwe sposoby wykorzystania stanowiska

Podstawowym przeznaczeniem stanowiska będzie pomiar parametrów wyjściowych badanego silnika, a także stworzenie podstawowych charakterystyk i oszacowanie możliwości rozwoju konstrukcji. Stanowisko to umożliwia jednak prowadzenie wielu innych ciekawych badań, na przykład wpływu dodatku biokomponentów do paliwa handlowego na parametry wyjściowe oraz emisję substancji szkodliwych.
Konstrukcja silnika dwusuwowego oraz dostępność części akcesoryjnych sprzyja dokonywaniu modyfikacji. Dzięki takiej hamowni można w łatwy sposób weryfikować wpływ zmian konstrukcyjnych na parametry wyjściowe czy emisję spalin.
Schemat blokowy stanowiska przedstawiono na rysunku 3.

Nazwa:  125.jpg
Wyświetleń: 523
Rozmiar:  57.7 KB
Rysunek 3. Schemat blokowy stanowiska badawczego

Obiekt badań

Silnik, który będzie obiektem badań, pracuje w obiegu dwusuwowym. Charakteryzuje się objętością skokową 49 cm3 i był seryjnie montowany w skuterach marki Piaggio. Rozwiązaniem, na które warto zwrócić uwagę, jest wtrysk bezpośredni ze wspomaganiem sprężonym powietrzem – system Orbitral. Dzięki takiemu zasilaniu można istotnie ograniczyć wady silnika dwusuwowego, którymi są:
  • duże jednostkowe zużycie paliwa,
  • duża emisja węglowodorów przy małych i średnich obciążeniach.

Silnik ten w połączeniu z trójfunkcyjnym reaktorem katalitycznym z łatwością spełnia wymagania normy emisji spalin EURO 3.

Tabela 1. Podstawowe informacje o silniku Piaggio PureJet
Nazwa:  tabela.jpg
Wyświetleń: 419
Rozmiar:  70.4 KB

Nazwa:  126.jpg
Wyświetleń: 423
Rozmiar:  53.5 KB
Rysunek 4. Silnik Piaggio PureJet – widok z lewej strony

Hamulec

W stanowisku hamownianym, poza obiektem badań, najważniejszym elementem jest hamulec. Hamulec jest to urządzenie pozwalające na obciążanie silnika, tak, aby móc odwzorować rzeczywiste warunki jego pracy.
W moim projekcie jako hamulca silnikowego zdecydowałem się użyć dwóch alternatorów samochodowych. Za wyborem takiego rozwiązania przemawiają:
  • cena – o rząd niższa niż komercyjny hamulec elektrowirowy o tych samych parametrach,
  • duża dostępność na rynku wtórnym,
  • łatwość regulacji obciążenia – regulacja obciążenia poprzez zmianę prądu wzbudzenia wirnika.

Wadami wyboru alternatora jako hamulca silnikowego są:
  • ograniczona moc,
  • wytwarzana energia elektryczna, którą trzeba dyssypować.



Nazwa:  127.jpg
Wyświetleń: 419
Rozmiar:  77.9 KB
Rysunek 5. Alternator samochodowy 12V 190A Hitachi LR1190 [4]

Opis części otrzymanych od firmy Conrad Electronic Polska

W ostatniej fazie projektu otrzymałem od Conrad Electronic niezbędne do ukończenia pracy części.

Elementy przekazane do dalszej pracy nad projektem stanowiska do badań silnika dwusuwowego przedstawiono na rysunku 6.

Nazwa:  128.jpg
Wyświetleń: 389
Rozmiar:  83.2 KB
Rysunek 6. Części otrzymane od firmy Conrad


  1. Sterownik nastawy silnika (serwo cyfrowe) HS-5485HB
    Jest to jeden z ważniejszych elementów automatyki w mojej aplikacji. Sterownik będzie połączony z przepustnicą za pomocą cięgna. W ten sposób z panelu sterowania użytkownik będzie mógł zadać dowolny kąt otwarcia przepustnicy. Serwo pomimo swoich niedużych rozmiarów (jak dwie paczki zapałek) charakteryzuje się momentem obrotowym 0,64 N∙m. W zestawie otrzymujemy gumki i wkręty do montażu, a także zestaw pięciu orczyków. Opis aplikacji oraz uzasadnienie wyboru serwa cyfrowego znajdą się w następnej części artykułu.

    Nazwa:  129.jpg
Wyświetleń: 399
Rozmiar:  33.3 KB
    Rysunek 7. Serwo cyfrowe Hitec HS-5485HB (nr produktu 209913)

  2. Enkodery ALPS STEC11B02 i pokrętła do enkoderów Cliff CL71660B
    W stanowisku enkodery będą służyć do zmiany nastawów prędkości obrotowej, otwarcia przepustnicy i momentu hamującego. Wybrane enkodery STEC11B02 to standardowy produkt znanej firmy Alps. Produkowane są w niezmienionej formie od ponad dwudziestu lat. Model STEC11B02 to wersja bez przycisku, posiadająca 30 impulsów na obrót. Długi gwint (7 mm) i relatywnie długa oś (18 mm) są bardzo przydatne przy montażu w trudno dostępnych miejscach.
    Pokrętła firmy Cliff o oznaczeniu CL71660B to bardzo ciekawa propozycja do enkoderów. Duża średnica 39,6 mm i dwa wgłębienia na opuszki palców znacznie ułatwiają zmianę nastawów o wiele impulsów. W ofercie producenta występują w trzech wersjach wagowych, pięciu wersjach kolorystycznych i dwóch wersjach otworu.

    Nazwa:  130.jpg
Wyświetleń: 390
Rozmiar:  33.3 KB
    Rysunek 8. Enkoder 5 V/DC 0.01 A 360° ALPS STEC11B02 (nr produktu 700696) i pokrętło do enkodera Cliff CL71660B (nr produktu 701292)

  3. Przyciski
    Z oferty firmy Conrad wybrałem dziesięć przycisków wandaloodpornych i jeden wyłącznik bezpieczeństwa. Przyciski te stanowią niezbędne wyposażenie panelu sterowania. Wszystkie przyciski będą służyć do zarządzania pracą stanowiska, a ich dokładne funkcje opiszę w następnej części tego artykułu.

    Nazwa:  131.jpg
Wyświetleń: 393
Rozmiar:  58.3 KB
    Rysunek 9. Wyłącznik bezpieczeństwa z elementem stykowym (nr produktu 1233819)


    Nazwa:  132.jpg
Wyświetleń: 397
Rozmiar:  16.2 KB
    Rysunek 10. Przycisk wandaloodporny 250 V/AC 5 A (nr produktu 701292 i 701301)


    Nazwa:  133.jpg
Wyświetleń: 403
Rozmiar:  17.8 KB
    Rysunek 11. Przycisk wandaloodporny 36 V/DC 2A (nr produktu 701929)

  4. Wtyczki
    Wtyczki i gniazda DB15 zostaną wykorzystane do połączenia hamulca z pulpitem sterowania. Pulpit będzie oddalony od hamulca z przyczyn praktycznych. Wtyczka DB25 będzie służyła do komunikacji sterownika hamulca z analizatorem spalin.

    Nazwa:  134.jpg
Wyświetleń: 396
Rozmiar:  24.1 KB
    Rysunek 12. Po lewej złącze listwa męska DB25 wraz z obudową (nr. produktów 742441 i 741889), po prawej obudowa EMC 180 (nr produktu 741517)


    Nazwa:  135.jpg
Wyświetleń: 394
Rozmiar:  15.3 KB
    Rysunek 13. Po lewej złącze listwa żeńska DB15 (nr produktu 799030) , po prawej złącze listwa męska DB15 (nr produktu 742428)

  5. Pozostałe części
    Pozostałymi elementami są: przewód, kable, styczniki i zderzaki. Chciałbym zwrócić uwagę na świetnej jakości przewód LappKabel Unitronic Cypidy (TP) 6X2X0,25 z zewnętrzną osłoną trudnopalną i ekranowaniem każdej pary przewodów. Doskonale sprawdzi się w warunkach warsztatowych. Wszystkie przewody w Conrad.pl są docinane na wymiar, bez dodatkowych kosztów.
    Zderzaki Fastener wykorzystałem jako stopki do panelu sterowniczego i stanowiska hamulcowego i sprawdzą się w tej roli bardzo dobrze. Miękka guma nie ulega nadmiernemu zużyciu, a za to świetnie tłumi drgania i kompensuje nierówności powierzchni.

    Nazwa:  136.jpg
Wyświetleń: 389
Rozmiar:  25.9 KB
    Rysunek 14. Po lewej przewód LappKabel 6X2X0,25 (nr produktu 600825), po prawej kabel zasilający Belkin (nr produktu 993901)


    Nazwa:  137.jpg
Wyświetleń: 403
Rozmiar:  24.8 KB
    Rysunek 15. Po lewej przekaźnik samochodowy Kraker Kräcker (nr produktu 841358), po prawej zderzak przykręcany Fastener 120040 (nr produktu 522501)

    Podsumowanie

    Dzięki pomocy firm takich jak Conrad Electronic będę mógł zbudować swoje własne stanowisko badawcze. Doświadczenie zdobyte podczas budowy stanowiska, jak i to zdobywane podczas badań pozytywnie wpływa na systematyzowanie wiedzy inżynierskiej. W trakcie trwania tego projektu znacznie poszerzyłem również wiedzę niezwiązaną bezpośrednio z kierunkiem moich studiów. Wierzę, że włożony trud przyniesie korzyści w późniejszej pracy zawodowej.
    Chciałbym zaprosić forumowiczów do przeczytania kolejnej części, w której będzie można znaleźć więcej szczegółów dotyczących rozwiązań konstrukcyjnych zastosowanych w stanowisku oraz zobaczyć relację z jego budowy.

    Nazwa:  138.jpg
Wyświetleń: 389
Rozmiar:  131.9 KB
    Rysunek 16. Spawanie stołu hamulca


    Nazwa:  139.jpg
Wyświetleń: 405
Rozmiar:  232.4 KB
    Rysunek 17. Przymiarka mocowań silnika

    Źródła

  1. AMBROZIK A., AMBROZIK T., KURCZYŃSKI D., ŁAGOWSKI P., SUCHECKI A.: Charakterystyki obciążeniowe turbodoładowanego silnika 1.3 MultiJet. Postępy Nauki i Techniki nr 15, 2012.
  2. KOWALEWICZ A.: Adaptacja silnika wysokoprężnego do zasilania gazem naturalnym. „Czasopismo techniczne” 2008, nr 7, s. 67.
  3. Politechnika Rzeszowska, https://austrzycki.sd.prz.edu.pl/fil...lsbmlrYS5wZGY= [dostęp: 2015.11.01].
  4. http://4.bp.blogspot.com/-fhzw7iYPED...LR1190-912.jpg [dostęp: 2015.11.01].


Sebastian Juwa