Wpływ Wilgotności Powietrza na Moc Silnika
- Szczegóły
Tematem niniejszej rozprawy jest wpływ wilgotności na dynamikę i inne parametry silnika. Zastanówmy się, co sprawdzić, co wymienić, co wyregulować, aby silnik "latał" tak samo w każdych warunkach?
Wilgotność a spalanie w silnikach
Jedną z metod mającą na celu ulepszenie procesu spalania jest podawanie do silnika powietrza o dużej wilgotności. Można to osiągnąć podając do kolektora dolotowego powietrze o zwiększonej wilgotności. Woda w powietrzu wpływa pozytywnie na parametry pracy silnika poprzez lepsze rozprowadzenie tlenu wewnątrz jego komory spalania.
Para wodna działa jako nośnik tlenu podczas procesu spalania a jednocześnie powoduje przyspieszenie tego procesu. W procesie spalania, każda para wodna uwalnia oraz przekazuje swój powierzchniowy ładunek tlenu co powoduje szybsze jego wymieszanie z paliwem. W rezultacie uzyskujemy wyższe stężenie oraz bardziej jednorodną dyspersję tlenu, co daje szybsze i bardziej efektywne oraz kompletne spalanie. Ostatecznie, działanie to objawia się większą sprawnością silnika, co daje zwiększoną moc przy mniejszym zużyciu paliwa.
Badania i obserwacje
Badania przeprowadzono na hamowni podwoziowej w Katedrze Inżynierii Pojazdów Politechniki Wrocławskiej. Na potrzeby prowadzonych badań wyznaczono charakterystyki zewnętrzne silnika o zapłonie samoczynnym przy różnych wartościach wilgotności powietrza. Badania przebiegały przy stałej temperaturze powietrza wynoszącej około 20oC i przy zmiennej względnej wilgotności powietrza wynoszącej od 35% do 75%.
Z przedstawionych danych wynika, że osiągi silnika pracującego w różnych warunkach atmosferycznych nie różnią się istotnie. Można stwierdzić co prawda, że silnik zasilany mieszaniną oleju napędowego i powietrza o wilgotności względnej 75% osiąga większą moc i większy moment obrotowy wału korbowego, niż w przypadku względnej wilgotności powietrza sięgającej tylko 35%. Praca silnika w warunkach większej wilgotności względnej powietrza wpływa na zwiększenie mocy silnika i momentu obrotowego wału korbowego silnika.
Przeczytaj także: Poradnik: walka z wilgocią w mieszkaniu
Pozytywny wpływ zwiększonej wilgotności powietrza na pracę silnika spalinowego najbardziej widać w górnych prędkościach obrotowych wału korbowego. Tam różnice sięgają nawet do 10%.
Wpływ temperatury i ciśnienia
W każdym silniku spada wydajność gdy temperatura powietrza jest wysoka/powietrze rozrzedzone/ moc też zauważalnie spada gdy znajdujemy się na znacznej wysokości nad poziomem morza. Moc silnika maleje wraz z wzrostem temperatury i rośnie wraz z wzrostem ciśnieniem.
Jak można zaobserwować, np. wzrost temperatury z 15 st.C do 40 st.C skutkuje prawie 5% spadkiem mocy. Podobnie jest z ciśnieniem: jeżeli spadnie z 1000 do 960 hPa, moc spadnie też prawie o 5 %. Najgorzej jest, kiedy te dwa czynniki wystąpią wspólnie. Wtedy samochód jest dużo słabszy pomimo całkowicie sprawnego silnika!
Aby wyniki pomiarów były niezależne od warunków atmosferycznych wymyślono normy, które matematycznie przeliczają moc rzeczywista w momencie pomiaru na moc normowaną:
Pn = P x Wt x Wc
Przeczytaj także: Wakacje w Bodrum
gdzie:
- P - moc rzeczywista
- Wt - współczynnik korekcyjny od temperatury
- Wc - współczynnik korekcyjny od ciśnienia
Problemy z pomiarami mocy
Z ciśnieniem nie ma problemu, wystarczy go zmierzyć w pomieszczeniu gdzie dokonujemy pomiaru. Zdecydowanie gorzej jest z temperaturą - powinna być mierzona na wlocie do komory spalania, co na ogół jest bardzo trudne lub niemożliwe. Im dalej od głowicy mierzymy temperaturę, tym błąd będzie większy. Najczęściej czujnik do pomiaru temperatury instalujemy w okolicach filtra powietrza, gdzie niestety temperatura jest niższa niż w głowicy.
Według badań, np. w samochodzie z silnikiem 1.8 Turbo przy temp. otoczenia 25 st.C po 10 sekundach pracy przy maksymalnej mocy temperatura w kolektorze ssącym osiągnęła wartość 75 st.C. Jak widać z tabeli wzrost temperatury z 25 do 75 st.C powoduje spadek mocy o ok. 8% a więc bardzo znaczny.
Minimalizacja błędów podczas testów
Jak w takim razie zminimalizować błędy metodyki podczas testów na hamowni silnikowych oraz podwoziowych?
- Pomieszczenie powinno być możliwie duże, najlepiej klimatyzowane
- Umożliwić wielokrotnie większą od zapotrzebowania silnika wymianę powietrza w pomieszczeniu
- Dokonywać pomiaru temperatury powietrza możliwie blisko głowicy
- W razie wyraźnych wzrostów temperatur skracać czas trwania testów lub robić długie przerwy między pomiarami
- Stosować nadmuch nie tylko na chłodnicę płynu, ale również na intercooler (jeżeli jest)
- Odrzucać wyniki, w których temperatura przekroczy wartości krytyczne dla danego samochodu
- Silnik przed właściwym testem musi być ustabilizowany termicznie
- Wykonywać kilka kolejnych testów jako prawidłowe przyjmować te kolejne, które nie różnią się o więcej niż 0.5% (o ile silnik jest sprawny)
- Silniki, które pomimo wielokrotnego powtarzania testów wykazują za każdym razem inne parametry należy uznać za uszkodzone.
Dodatkowe czynniki wpływające na pracę silnika
Podczas dyskusji zauważono, że wysoka wilgotność może negatywnie wpływać na osiągi silnika, m.in. poprzez wilgotne filtry powietrza, co ogranicza przepływ powietrza. Dodatkowo, niższe ciśnienie powietrza oraz problemy z iskrami mogą również wpływać na dynamikę. Z drugiej strony, zimne powietrze, które ma większą gęstość, dostarcza więcej tlenu, co może zwiększać moc silnika.
Przeczytaj także: Poradnik pomiaru wilgotności
Wilgoć też wpływa na proces spalania. Wilgotność względną powietrza nazywamy stosunkiem ciśnienia cząstkowego pary wodnej w powietrzu wilgotnym o danej temperaturze t do ciśnienia nasycenia pary wodnej w tej samej temperaturze. Wilgotność względna jest wyrażana w procentach.
Głównym problemem w spalinowych silnikach o zapłonie samoczynnym jest nierównomierny rozkład temperatury i mieszanki paliwowo powietrznej wewnątrz komory spalania. Sprzyja to powstawaniu punktów o wysokiej i niskiej koncentracji tlenu w komorze spalania silnika. W miejscach o wysokiej koncentracji tlenu, proces spalania wytwarza bardzo szkodliwe tlenki azotu NOx, a w miejscach o niskim stężeniu tlenu, w wyniku niekompletnego spalania paliwa powstają cząsteczki stałe w postaci sadzy.
Hamownie i ich rola
Hamownia jest stacjonarnym stanowiskiem pomiarowym umożliwiającym pozyskanie niezbędnych danych do wyznaczenia charakterystyki silnika. Hamownie podwoziowe nie mierzą bezpośrednio parametrów silnika, lecz jego osiągi i dopiero na podstawie uzyskanych danych określana jest jego moc czy moment obrotowy. W przeciwieństwie do hamowni silnikowych, hamownie podwoziowe są proste i szybkie w obsłudze (nie trzeba wyjmować silnika), a jednocześnie ich precyzja pomiaru parametrów pojazdu jest wysoka, podobnie jak powtarzalność przeprowadzanych testów.
Podczas pomiaru mocy, hamownia daje dokładne wyniki pomiaru mocy silnika i momentu obrotowego. Wyliczanie tych wartości pomiarowych na wartości normatywne zgodne z międzynarodowymi normami przebiega automatycznie. Charakterystyka zewnętrzna silnika to wykresy przebiegu momentu obrotowego i mocy silnika spalinowego przy pełnym otwarciu przepustnicy (w funkcji obrotów). Obrazuje on maksymalne wartości momentu i mocy jakimi dany silnik dysponuje i przy jakich obrotach ma to miejsce.
tags: #wilgotność #powietrza #wpływ #na #moc #silnika
