myFTO.net - Dobra Szkoła Latania

Co pokazują wskaźniki temperatur

Ustaliliśmy już, że informacja o ciśnieniu ładowania oraz obrotach silnika nie wystarcza do określenia jego mocy. Brakujący element to skład mieszanki, a w zasadzie informacja o tym jakie parametry i ich wartości są efektem jej spalania. Do precyzyjnego określenia parametrów pracy silnika potrzebne są jeszcze CHT i EGT.

Cylinder Head Temperature (CHT) jest temperaturą głowicy cylindra, ale czy jednego tylko cylindra, może wszystkich cylindrów? Układ pomiaru CHT zależy od konstrukcji silnika. Na potrzeby artykułu skupimy się na najprostszych rozwiązaniach pokazując wpływ ich wad na wskazania. Odczyt temperatury głowic na wskaźniku umiejscowionym na tablicy przyrządów zależy od tego, w którym miejscu na silniku znajduje się czujnik. Popularne samoloty general aviation, takie jak Cessna serii 150 lub 170, posiadają silniki rzędowe chłodzone powietrzem. Taki układ oznacza, że cylindry silnika ustawione są w rzędzie jeden za drugim, najczęściej w kierunku osi podłużnej samolotu. Silniki rzędowe mogą posiadać jeden, lub wiele rzędów cylindrów. W zależności od ilości i układu rzędów wyróżniamy kolejne ich rodzaje. Najpopularniejsze to układ V i bokser. Najczęściej spotykaną konstrukcją silnika w lotnictwie jest układ bokser, w którym dwa rzędy cylindrów umieszczone są naprzeciw siebie w tej samej płaszczyźnie. W takim przypadku dwa przednie cylindry, będąc najbliżej wlotów powietrza, wystawione są bezpośrednio na jego chłodzące działanie. Kolejne dwa są już dalej od wlotów powietrza. W przypadku silnika sześciocylindrowego trzeci rząd dwóch cylindrów otrzymuje nie tylko mniej powietrza do chłodzenia, ale również jest ono podgrzane przez poprzedzające cylindry. Wniosek jest prosty, każda z głowic cylindrów będzie miała inną temperaturę a największa różnica powstanie między przednim a tylnym rzędem. Często silnik posiada tylko jeden czujnik CHT, który powinien być umieszczony na najgorętszym cylindrze, jednak ta zasada nie zawsze jest dotrzymana.

Exhaust Gas Temperature (EGT) to temperatura gazów wylotowych powstałych w procesie spalania mieszanki paliwowo-powietrznej. Najpopularniejsze silniki rzędowe Lycoming lub Continental posiadają najczęściej jeden gaźnik, od którego rozchodzą się kolektory dolotowe doprowadzające mieszankę paliwowo-powietrzną do każdego z cylindrów. Geometria silnika ma duży wpływ na skład mieszanki, jaki jest dostarczany do cylindrów. Z racji podłużnego kształtu silnika rzędowego, kolektory dolotowe, łączące gaźnik z poszczególnymi cylindrami, różnią się długością oraz kształtem. Te różnice powodują nierównomierne rozprowadzanie mieszanki paliwowo-powietrznej, skutkiem tego każdy z cylindrów dostaje mieszankę o nieco innym składzie. Jeżeli skład mieszanki ulega zmianie, to ulegają zmianie również parametry jej spalania, co ma wpływ na temperaturę gazów wylotowych EGT oraz CHT. Ponownie umiejscowienie czujnika temperatury EGT na silniku ma zasadnicze znaczenie dla wskazań, jakie pilot odczytuje na tablicy przyrządów.

Omawiając powyższe zagadnienia trzeba wspomnieć o poczciwych silnikach gwiazdowych (ang. radial engines), które spotkać można w Wilgach PZL 104 lub Antonowach AN2. Układ cylindrów jest promienisty względem centralnie umieszczonego wału. Konstrukcja ta pozwala, żeby wszystkie cylindry były wystawione na działanie chłodzącego powietrza w sposób równomierny, co praktycznie całkowicie eliminuje różnice CHT na poszczególnych głowicach. Taka geometria ma kolejne zalety. Dystrybucja mieszanki paliwowo-powietrzej odbywa się z geometrycznego środka silnika w kierunku głowic cylindrów. Układ tego typu powoduje, że kolektory dolotowe są tej samej długości oraz kształtu, eliminuje to różnice w składzie mieszanki dostarczanej do poszczególnych cylindrów.

Kolektory wydechowe silników gwiazdowych były często krótkie a umiejscowienie silnika pozwalało pilotowi dostrzec koniec rury wydechowe. Ciekawostką jest fakt, że latając w nocy można było zubażać mieszankę obserwując zmianę koloru płomienia wydostającego się z rury wydechowej. Mieszanka bogata, jaką ustawia się do startu lub wznoszenia charakteryzuje się jasno żółtym płomieniem, którego języki muskają koniec rury wydechowej. Sukcesywne zubażenie mieszanki zmieni płomień na niebieski, palący się krótkim równomiernym i intensywnym językiem. Zubażając dalej, płomień stanie się biały aż do momentu, gdy poczujemy spadek mocy. Nabyte wyczucie w lotach nocnych wystarczyło odwzorować w dzień, kiedy płomienie są praktycznie niewidoczne, i można było znacznie zoptymalizować zużycie paliwa przez zubożenie mieszanki.

Wszystkie zalety silników gwiazdowych w obszarze symetrycznej geometrii nie wystarczają jednak, żeby zrekompensować straty z powodu oporu aerodynamicznego, jakie stawia powierzchnia silnika tego typu. Obecnie główną konstrukcją stosowaną w małych i średnich samolotach tłokowych są silniki rzędowe w układzie bokser. Oczywiście umiejscowienie silnika w nowoczesnych konstrukcjach samolotów najczęściej wyklucza możliwość obserwowania rury wydechowej i oceny płomienia.

Podsumowując, z uwagi na nierównomierną dystrybucję mieszanki oraz nierównomierne chłodzenie cylindrów, każdy z nich generuje inną moc oraz temperaturę CHT i EGT. Pilot ma tylko jedną dźwignię mieszanki, która reguluje całkowity dopływ paliwa i nie jest w stanie zrekompensować wpływu niedoskonałości geometrii silnika na wspomniane parametry.

Poniższy wykres pokazuje odczyt EGT z sześciocylindrowego silnika Continental TCM-OI-520 wyposażonego w czujniki temperatury na każdym kolektorze wylotowym (niektóre silniki są lepsze od innych



Wykres przedstawia EGT w funkcji przepływu paliwa (ang. Fuel Flow), inaczej niż na wykresie w poprzednim wpisie “Magia mieszanki 1 | Odpalamy“, mieszanka bogata jest po lewej a uboga po prawej. Zatem idąc od lewej do prawej zubażamy mieszankę obserwując początkowo wzrost wszystkich EGT. Przy około 14.5 galonach na godzinę (ang. Gallons Per Hour - GPH) EGT 1 osiąga maksimum (ang. Peak) i zaraz po nim EGT 2. Cylindry 1 i 2 są najbardziej tylnymi cylindrami w Continentalach, zatem mają najwyższą temperaturę pracy z uwagi na ograniczone chłodzenie. Kontynuując zubażanie kolejno cylindry 3 i 4 osiągają maksymalne EGT, to jest środkowa para. Przy wartości przepływu paliwa około 13.3 GPH, ostatnia, przednia para cylindrów osiąga maksymalne EGT. Zwracając uwagę na cylinder pierwszy, widzimy, że jego EGT jest ponad 40 stopni F poniżej maksimum w części wykresu odpowiadającej uboższej mieszance (ang. 40 degrees Lean Of Peak – LOP). W tej sytuacji patrząc na wykres spalania mieszanki w pierwszej części „Magia mieszanki 1 | Odpalamy” różnica w mocy produkowanej przez dwa skrajne cylindry jest znacząca.

Zrozumienie zależności to klucz do sukcesu

Poprawne operowanie składem mieszanki może się odbyć jedynie, gdy pilot rozumie zależności między wspomnianymi w pierwszej części „Magia mieszanki 1 | Odpalamy” pojęciami „Best Power” oraz „Best Economy” i ich relacją z CHT, EGT, zużyciem paliwa i finalnie mocą rozwijaną przez silnik. Zależnościami między tymi parametrami rządzą te same zasady bez względu na zastosowanie silnika, samochodowy, lotniczy czy motorowodny, zawsze podlega tym samym prawom. Wszystkie wspomniane zależności prezentowane są na poniższym wykresie silnika Continental:



Wykres parametrów EGT,CHT,BHP,BSFC w funkcji przepływu paliwa

Tak szybko? Niestety, tym razem trzeba będzie się pochylić nad wykresem nieco dłużej. Najczęściej strony instrukcji użytkowania wypełnione wykresami o dziwacznych kształtach są zdawkowo wertowane, jednak informacja jaką można z nich uzyskać jest bardziej istotna niż wam się wydaje. Powyższy wykres jest kopia z instrukcji silnika, jednak na potrzeby artykułu przeprowadziłem mały tuning:



Wykres parametrów EGT, CHT, BHP, BSFC w funkcji przepływu paliwa

Zrozumienie powyższego wykresu jest kluczowe dla zrozumienia całego zagadnienia zarządzania mieszanką paliwowo-powietrzną. Poświęćcie tyle czasu ile będzie trzeba, żeby zgłębić zależności na nim przedstawione, nie są tak skomplikowane na jakie wyglądają za pierwszym razem, zatem warto.

Zacznijmy od omówienia założeń i poszczególnych elementów. Sytuacja przedstawiona na wykresie dotyczy stałego ustawienia ciśnienia ładowania (ang. Manifold Pressure - MP) oraz obrotów (ang. Revolution Per Minute - RPM). Te wielkości pozostają niezmienne i wynoszą dla tego wykresu 25 cali słupa rtęci MP oraz 2500 RPM. Ważne jest, żeby mieć świadomość, że wszystkie zmiany parametrów przedstawionych na wykresie zachodzą przy stałym ustawieniu przepustnicy/gazu i obrotów. Zmianie ulega jedynie skład mieszanki, która zubaża się idąc od prawej do lewej, zatem poruszamy tylko dźwignią mieszanki.
...

Wpis w oryginale ma więcej niż 10 000 znaków, aby dokończyć czytanie zapraszam na stronę Magia mieszanki 2 | EGT CHT RPM MP czyli interpretacja wskazań na blogu myFTO.net.