Πειραματική Διερεύνηση της Επίδρασης της Ποιότητας του Μείγματος στο Μηχανισμό της Καύσης του Εμβολοφόρου Βενζινο-Κινητήρα R2800

Abstract

Η παρούσα εργασία εκτελέσθηκε στα πλαίσια ερευνητικού έργου με τίτλο «Αξιολόγηση Δοκιμαστηρίου Κινητήρων R-2800» που έχει ανατεθεί σπό την Ελληνική Αεροπορική Βιομηχανία (ΕΑΒ) στο εργαστήριο ΜΕΚ του ΕΜΠ. Βασικός σκοπός του συγκεκριμένου ήταν η αξιολόγηση του υφιστάμενου δοκιμαστηρίου εμβολοφόρων κινητήρων R2800 που διαθέτει η ΕΑΒ στις εγκαταστάσεις της στην Τανάγρα Βοιωτίας. Η ανωτέρω αξιολόγηση επετεύχθει μέσω της συγκριτικής αξιολόγησης ενός εμβολοφόρου βενζινοκινητήρα τύπου R2800 της Ελληνικής Πολεμικής Αεροπορίας που έχει επισκευασθεί από την ΕΑΒ και ενός άλλου ίδιου τύπου κινητήρα που έχει επισκευασθεί στις Ηνωμένες πολιτείες Αμερικής (ΗΠΑ). Η ανωτέρω συγκριτική αξιολόγηση έγινε με χρήση του διαγνωστικού λογισμικού EDS-3 το οποίο εφαρμόστηκε για την επεξεργασία δύο ομάδων μετρήσεων ( η μία ομάδα αφορά μετρήσεις σε κινητήρα R2800 που έχει επισκευασθεί στην ΕΑΒ ενώ η δεύτερη ομάδα αφορά μετρήσεις ίδιου τύπου κινητήρα (με S/N: 35362) που έχει επισκευασθεί στις ΗΠΑ), οι οποίες έλαβαν χώρα στο δοκιμαστήριο της ΕΑΒ. Στα πλαίσια αυτής της διερεύνησης μελετήθηκε και η επίδραση της ποιότητας του μείγματος στη λειτουργία και το μηχανισμό της καύσης που αποτελεί το κύριο αντικείμενο της παρούσας εργασίας. Για τον σκοπό αυτό διεξήχθη εκτεταμένη πειραματική διερεύνηση στο δοκιμαστήριο της ΕΑΒ όπου ελήφθησαν μετρήσεις διαφόρων λειτουργικών παραμέτρων του κινητήρα – όπως π.χ. η πίεση του οχετού εισαγωγής, η παροχή και η πίεση του καυσίμου, η θερμοκρασία των κεφαλών του κινητήρα κ.α. Όλες οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σύμφωνα με το πρωτόκολλο δοκιμών που υπαγορεύει ο κατασκευαστής του συγκεκριμένου τύπου κινητήρα. Ταυτόχρονα, με χρήση ειδικής μετρητικής διάταξης που αναπτύχθηκε στο ΕΜΠ υπό την επίβλεψη του Καθηγητή κου Δ.Χουντάλα πραγματοποιήθηκε παράλληλη καταγραφή της πίεσης καύσης ενός κυλίνδρου και των σημάτων από το ηλεκτρικό σύστημα έναυσης του κινητήρα και των δύο σειρών κυλίνδρων. Σε κάθε ομάδα μετρήσεων ελήφθησαν μετρήσεις σε τέσσερις διαφορετικές ταχύτητες περιστροφής, ήτοι 2000, 2300, 2500 και 2800 rpm. Σε κάθε ταχύτητα περιστροφής ελήφθησαν μετρήσεις για δύο καταστάσεις λειτουργίας που αφορούν στην ποιότητα του μείγματος καυσίμου-αέρα: λειτουργία με αρκετά πλούσιο μείγμα (rich operation) και λειτουργία με λιγότερο πλούσιο μείγμα. Στο σημείο αυτό θα πρέπει να τονισθεί ότι και στις δύο καταστάσεις λειτουργίας ο κινητήρας λειτουργεί με λόγους ισοδυναμίας αέρα-καυσίμου μικρότερους της μονάδας δηλαδή πάντα με πλούσιο μείγμα. Μετά την λήψη και την καταγραφή των μετρήσεων ακολουθεί η ανάλυση και αξιολόγησή τους με τη χρήση του διαγνωστικού λογισμικού EDS-3. Η πιστοποίηση της ορθότητας των συμπερασμάτων που προκύπτουν από την εφαρμογή του διαγνωστικού λογισμικού πραγματοποιείται μέσω της συγκριτικής αξιολόγησης ορισμένων κρίσιμων λειτουργικών παραμέτρων (π.χ. ισχύς κινητήρα) με τις αντίστοιχες μετρημένες στο δοκιμαστήριο τιμές. Όπως έχει ήδη αναφερθεί σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι αφενός μεν η αξιολόγηση και επιβεβαίωση της ομαλής και ικανοποιητικής λειτουργίας του συγκεκριμένου κινητήρα R2800 που δοκιμάσθηκε στο δοκιαμστήριο της ΕΑΒ, για να αξιολογηθεί η ποιότητα της επισκευής του τελευταίου και αφετέρου η διερεύνηση της επίδρασης του μείγματος αέρα–καυσίμου στο μηχανισμό της καύσης. Τα ανωτέρω επιτυγχάνονται μέσω της επεξεργασίας των λειτουργικών δεδομένων και της αξιολόγησης των αποτελεσμάτων που προκύπτουν απο τη διαγνωστική διαδικασία. Όσον αφορά στην αξιολόγηση της λειτουργικής συμπεριφοράς του κινητήρα, αυτή επιτυγχάνεται μέσω της συγκριτικής παράθεσης διαγραμμάτων, του χρονισμού του κινητήρα, της διάρκειας της καύσης και της διάρκειας του σπινθηρισμού. Από τη μελέτη των ανωτέρω λειτουργικών παραμέτρων προκύπτει μια σαφής εικόνα τόσο για την κατάσταση λειτουργίας του κινητήρα που έχει επισκευασθεί στο εξωτερικό όσο και για την επάρκεια του δοκιμαστηρίου της ΕΑΒ, όσον αφορά στην εκτέλεση αξιόπιστων ελέγχων της λειτουργικής κατάστασης κινητήρων R2800. Όσον αφορά στη διερεύνηση της επίδρασης της ποιότητας του μείγματος αέρα - καυσίμου στο μηχανισμό της καύσης, αυτή πραγματοποιείται μέσω της συγκριτικής παράθεσης κρίσιμων παραμέτρων, όπως είναι ο ρυθμός έκλυσης θερμότητας, η μέγιστη θερμοκρασία της καύσης και η ειδική κατανάλωση καυσίμου, μεταξύ των δύο καταστάσεων λειτουργίας που μελετήθηκαν (rich operation και lean operation). Από τη συγκριτική αξιολόγηση των ανωτέρω παραμέτρων προκύπτουν σημαντικά συμπεράσματα σχετικά με τον προσδιορισμό της κατάλληλης αναλογίας αέρα –καυσίμου που θα εξασφαλίζει τη βέλτιστη δυνατή λειτουργία του κινητήρα.

The present thesis is aiming at the experimental investigation of the effect of AFR on the combustion mechanism and performance characteristics of a spark ignited reciprocating engine for aviation use. This investigation is based upon an existing diagnostic methodology for spark ignited engines developed by the present research group. The diagnostic technique is used to determine the efficiency of running operation of the engine in test and furthermore to investigate the effect that different mixture quality has in the combustion mechanism on the cylinder and the effect, in general, on the operation of the engine. To validate the proposed diagnostic technique, thorough investigation was conducted on a Pratt & Whitney’s R2800 Double Wasp engine used on CL-215 fire extinguishing aircrafts. R2800 is a two-row, 18-cylinder, air-cooled, radial, spark ignited, reciprocating engine with total displacement of 2,804 in³. The engine is also supercharged and its total output is 2100hp in take-off running speed which is 2800rpm. The procedure involved measurements of a range of operating parameters (i.e. fuel flow, inlet pressure and temperature, maximum cylinders head temperature, brake mean effective pressure) at four different running speeds 2000, 2300, 2500 and 2800 rpm covering both cruise and take off operating conditions. Whole measuring process was held with the engine on its test bench following the recommended procedural steps outlined on Pratt and Whitney’s Overhaul manual. Additional measurements were taken using a fast data acquisition system of cylinder pressure and electric signal of both spark plugs of the cylinder. These measurements were also taken for the 4 different running speeds mentioned above and for two different AFR values suitably selected for the on wing engine’s operation. The diagnosis of the engine’s operating level as long as the effect of the AFR in the combustion mechanism relies upon the process of the data obtained by the two measuring techniques, the conventional and the one developed by the present research group. The latter is based on a thermodynamic two-zone combustion model for spark ignited engines that calculates essential operating parameters (i.e. rate of heat release, duration of combustion, ignition timing and mixture quality). This diagnostic technique can be easily applied in any type of spark ignited engines and providing detailed information of the operating condition of the engine and detecting potential faults in performance. Case examined in the present work uses this technique to investigate the effect of AFR on performance characteristics of the engine in test and specifically on brake power output, cumulative heat release, duration of combustion and mean gas temperature. Considering the results, it is revealed that the proposed diagnostic technique estimates adequately the operation level of the engine and successfully determines the effect of mixture quality on the combustion mechanism and performance characteristics of the engine. Thus it can be used for the accurate estimation of engine’s condition, the detection of potential faults in operation and the determination of AFR and other settings for optimum performance.