Moment obrotowy i moc silnika a jego obciążenie (1)

Transkrypt

1 Moment obrotowy i moc silnika a jego obciążenie (1) data aktualizacji: Wiemy, jak np. w silniku ma przebiegać proces spalania i jak należy nim kierować w różnych warunkach pracy silnika, aby uzyskać oczekiwany cel. Ta wiedza, w postaci programu, jest wprowadzona do sterownika. Nie jest on w stanie zrobić nic więcej lub w inny sposób, niż jest to napisane w programie. Ta zasada dotyczy wszystkich elektronicznych układów sterujących. Uważam, że jest dobrze, jeśli diagnosta zna, choć pobieżnie, zasadę pracy diagnozowanego układu, a nie tylko przyjmuje za prawdę to, co przekazuje tester diagnostyczny. Wówczas łatwiej analizować wartości parametrów bieżących lub oscylogramy itp. Wspomniałem na wstępie o silniku, gdyż w ostatnich miesiącach przeczytałem lub usłyszałem kilka twierdzeń świadczących o tym, że autorzy nie znają obecnych zasad sterowania silnikami. Oto przykłady: - 6. bieg samochodu VW Golf z silnikiem TDI można wykorzystać chyba tylko na autostradzie ; - oszczędna jazda, tzw. ecodriving, wymaga płytkiego naciskania pedału gazu ; - wadą hybrydowej Toyoty Prius jest brak możliwości ręcznej zmiany biegów. Również podkreślanie wyższości współczesnego silnika ZS, polegającej na wyższej wartości jego momentu obrotowego, w porównaniu z silnikiem ZI, o porównywalnej wielkości, nie jest w pełni uzasadnione. To konieczność, a nie szczególna cecha! Bez tej nadwyżki silnik ZS nie byłby, jeśli chodzi o osiągi, porównywalny z silnikiem ZI. Wyjaśnię to w tej serii artykułów. [img_full]12133 Rys. 1. Ilustracja definicji momentu obrotowego na przykładzie korby. Oznaczenia na rysunku: Mo moment obrotowy; Fk siła działająca na ramię korby; Fkp rzut siły Fk działającej na ramię korby, na kierunek prostopadły do ramienia korby; r długość ramienia korby. Poszczególne rysunki pokazują trzy charakterystyczne kierunki działania siły Fk w stosunku do ramienia korby: a siła Fk prostopadła do ramienia korby; b siła Fk nieprostopadła do ramienia korby; c siła Fk działa wzdłuż ramienia korby.[/img_full] Osoby oczekujące bardziej zaawansowanej wiedzy przepraszam, że zaczynam od podstaw, ale nie wszystkie opisywane zagadnienia są obecnie łatwo dostępne w literaturze. Proszę może zaproponować tę lekturę młodszym kolegom.

2 [skip_main_image] Moment obrotowy Znamy tę wielkość, ale proponuję przypomnienie wzoru, z którego ją obliczamy. Moment obrotowy najprościej opisać za pomocą korby, czyli urządzenia, które zamienia ruch posuwisty na obrotowy (rys. 1a). Jeśli siłą Fk naciskamy na ramię korby w kierunku prostopadłym do tego ramienia, to powstaje moment obrotowy Mo, obliczany ze wzoru (1): [img_full]12138 [/img_full] To, gdy siła Fk działa prostopadle do ramienia korby, jest przypadkiem szczególnym. Przeważnie ten kąt jest inny niż prostopadły (rys. 1b). Wówczas do obliczenia momentu obrotowego, generowanego przez tę siłę, uwzględniamy rzut siły Fk na kierunek prostopadły do ramienia korby, oznaczony Fkp. Wzór do obliczenia momentu obrotowego przybiera ogólniejszą postać (2): [img_full]12139 [/img_full] Pozostał jeszcze do rozpatrzenia drugi szczególny przypadek, gdy siła Fk działa wzdłuż ramienia korby (rys. 1c). Wówczas jej rzut na kierunek prostopadły do ramienia korby ma wartość zerową, a więc nie powstaje moment obrotowy ma on wartość zerową. Wszystkie opisane sytuacje, zilustrowane na rys. 1, powtarzają się podczas każdego obrotu wału korbowego silnika spalinowego. Powstawanie momentu obrotowego w silniku Siła, która za pośrednictwem korbowodu naciska na ramię wykorbienia wału korbowego, powstaje wskutek nacisku gazów wypełniających komorę spalania o ciśnieniu oznaczonym jako pks na denko tłoka. Wartość tego ciśnienia zmienia się w każdej chwili cyklu pracy silnika. Podczas suwu pracy i wylotu jego wartość zależy istotnie od chwili, w której został inicjowany proces spalania: - iskrą elektryczną w silniku ZI; - wskutek samozapłonu w silniku ZS. Chwila rozpoczęcia procesu spalania jest określana przez podanie wartości: - kąta wyprzedzenia zapłonu - w silniku ZI; - kąta wyprzedzenia wtrysku w silniku ZS. Pomiędzy silnikami ZI i ZS jest taka różnica, że po rozpoczęciu procesu spalania w silniku ZI nie mamy już możliwości wpływania na przebieg procesu spalania. Natomiast w silniku ZS po rozpoczęciu procesu spalania można wpływać na przebieg procesu spalania przez zmiany masy paliwa wtryskiwanego w jego trakcie do komory spalania. Kiedyś uzyskiwano to przez kształtowanie charakterystyki wtryskiwacza, a obecnie jest stosowana technika podziału dawki paliwa na części i ich niezależny wtrysk. Jeśli najważniejszym kryterium oceny przebiegu procesu spalania podczas jednego cyklu pracy silnika jest wykonanie największej pracy (są też i inne cele, ważniejsze w niektórych stanach lub warunkach pracy silnika o nich w dalszej części artykułu), to niezależnie od tego, czy jest to silnik ZI, czy ZS, proces spalania powinien być zainicjowany w takiej chwili, aby spełnione były poniższe warunki. 1. Jak największa część procesu spalania powinna się odbyć, gdy tłok jest w pobliżu punktu swojego najwyższego położenia, który nazywamy górnym martwym punktem (GMP) lub zwrotem zewnętrznym (ZW) rys. 3a. Wówczas całkowita powierzchnia ścianek komory spalania jest najmniejsza, dlatego ilość ciepła tracona przez odpływ do ścianek komory spalania jest najmniejsza, a więc większa ilość ciepła jest zamieniana na pracę. 2. Ciśnienie procesu spalania powinno osiągnąć maksymalną wartość, gdy tłok, po przejściu przez punkt GMP, oddala się od niego. 3. Gdy tłok oddala się od punktu GMP, rozprężające się gazy spalinowe powinny posiadać jeszcze możliwie wysokie ciśnienie, aby wykorzystując korzystne, wzajemne ustawienie korbowodu i ramienia wykorbienia wału korbowego, uzyskać możliwie dużą wartość momentu obrotowego

3 wyjaśnienie w następnym punkcie. 4. W momencie otwarcia zaworu wylotowego ciśnienie spalin musi umożliwić sprawny przebieg opróżniania z nich komory spalania. Przebieg ciśnień w komorze spalania towarzyszący procesowi spalania mieszanki, który spełnia powyższe warunki, przedstawia linia 1 wykresu na rys. 2. Został on zapoczątkowany w chwili Z1. Jeśli proces spalania zostanie rozpoczęty za wcześnie, w chwili Z2 linia 2 wykresu na rys. 2, wówczas maksymalne ciśnienie w komorze spalania może wystąpić: - przed punktem GMP tak jak pokazuje to linia 2 wykresu na rys. 2; powstający wówczas moment obrotowy, o kierunku przeciwnym do kierunku obrotu wału korbowego, hamuje jego obrót; - w punkcie GMP lub bezpośrednio za nim maksymalna wartość ciśnienia spalania jest wówczas wyższa od wartości maksymalnej ciśnienia spalania dla procesu spalania rozpoczętego później. Mimo że przy za wczesnym rozpoczęciu procesu spalania w chwili Z2, uzyskujemy wyższą maksymalną wartość ciśnienia w komorze spalania niż wówczas, gdy spalanie rozpoczęło się później, np. w chwili Z1, to jednak ta wysoka wartość ciśnienia w komorze spalania może nie skutkować osiągnięciem wyższej, chwilowej wartości momentu obrotowego silnika z powodu niekorzystnego wzajemnego ustawienia korbowodu i ramienia wykorbienia wału korbowego. Natomiast gdy to ustawienie jest korzystne wartości kąta obrotu wału korbowego zbliżone do kąta B (rys. 2), wartości ciśnień w komorze spalania silnika są niższe niż przy procesie spalania rozpoczętym później, w chwili Z1, co skutkuje niższą wartością momentu obrotowego. Ilość pracy wykonanej w jednym cyklu pracy silnika, gdy proces spalania rozpocznie się za wcześnie, może być mniejsza. [img_full]12134 Rys. 2. Zmiany ciśnienia w komorze spalania silnika ZI lub ZS, w zależności od kąta obrotu wału korbowego silnika, dla trzech różnych chwil rozpoczęcia procesu spalania: 1 prawidłowy początek procesu spalania w chwili Z1; 2 za wcześnie rozpoczęty proces spalania w chwili Z2; 3 za późno rozpoczęty proces spalania w chwili Z3. Oznaczenia na rysunku: GMP górny martwy punkt; kąt A i kąt B charakterystyczne wartości kątów obrotu wału korbowego ze względu na wzajemne ustawienie elementów mechanizmu tłokowo-korbowego zilustrowane na rys. 3b i c.[/img_full] Jeśli natomiast proces spalania zostanie rozpoczęty za późno, w chwili Z3 linia 3 wykresu na rys. 2, wówczas maksymalne ciśnienie w komorze spalania jest osiągane dopiero wtedy, gdy tłok jest już nadmiernie oddalony od punktu GMP. Względnie duża objętość komory spalania przy tym ustawieniu tłoka powoduje, że wówczas wartość ciśnienia maksymalnego w komorze spalania jest mniejsza niż wartość ciśnienia maksymalnego osiąganego wtedy, gdy proces spalania zaczynał się wcześniej, np. w chwili Z1 (rys. 2). Mimo wyższych wartości ciśnień w komorze spalania, gdy ustawienie korbowodu i ramienia wykorbienia wału korbowego jest korzystne wartości zbliżone do kąta B (rys. 2), całkowita ilość pracy wykonanej w jednym cyklu pracy silnika, przy za późnym rozpoczęciu procesu spalania, jest najmniejsza. [img_full]12135 Rys. 3. Wzajemne ustawienie tłoka, korbowodu i ramienia wykorbienia wału korbowego ma istotny wpływ na wartość momentu obrotowego powstającego w wyniku nacisku na tłok gazów rozprężających się w komorze spalania, a przenoszonych na ramię wykorbienia wału korbowego za pośrednictwem korbowodu. Rysunek (a) pokazuje wzajemne ustawienie tłoka, korbowodu i wykorbienia wału korbowego, gdy tłok jest w górnym martwym punkcie (GMP). Rysunki b i c pokazują ustawienia tłoka, korbowodu i wykorbienia wału korbowego odpowiadające kątom obrotu wału korbowego A (15o) i B (70o). Kąty te są również zaznaczone na rys. 2, tak by rysunkom a, b i c można przyporządkować ciśnienie panujące w komorze spalania. Oznaczenia na rysunku: pks ciśnienie gazów w komorze spalania; Fg siła nacisku gazów na tłok; Ft siła nacisku tłoka na tuleję cylindrową (na rysunku nie jest ona narysowana proporcjonalnie do innych sił!); Fk siła nacisku tłoka na korbowód, a jednocześnie korbowodu na ramię wykorbienia wału korbowego; Fkp siła nacisku korbowodu na ramię wykorbienia wału korbowego w kierunku prostopadłym do ramienia wykorbienia; r długość (promień) ramienia wykorbienia wału korbowego; Mo moment

4 obrotowy uzyskiwany na wale korbowym silnika.[/img_full] Wartość momentu obrotowego silnika a kąt obrotu wału korbowego i ciśnienie w komorze spalania Poznajmy zależność pomiędzy tymi trzema wielkościami. Każda wartość kąta obrotu wału korbowego jest równoznaczna z określonym wzajemnym ustawieniem tłoka, korbowodu oraz ramienia wykorbienia wału korbowego. Od tego ustawienia zależy również wartość osiąganego momentu obrotowego, co na przykładzie korby wyjaśniłem na początku artykułu. Oczywiście zależy również od ciśnienia w komorze spalania silnika. Jeśli tłok jest ustawiony w punkcie GMP rys. 3a (pomijam w rozważaniach stosowane przesunięcie sworznia tłokowego względem osi tłoka), wówczas występuje taka sama sytuacja, jak na rys. 1c. Siła Fg (rys. 3a), powstała w wyniku nacisku gazów w komorze spalania, o ciśnieniu Pks, na tłok, jest wówczas jednocześnie siłą Fk, która naciska na ramię wykorbienia wału korbowego. Ponieważ siła Fk naciska wzdłuż ramienia wykorbienia, nie powoduje powstania momentu obrotowego Mo. Ma on w tej chwili wartość zerową, bez względu na wartość siły Fk = Fg, a więc również bez względu na wartość ciśnienia pks w komorze spalania. Gdy tłok obniży się tylko nieznacznie w stosunku do punktu GMP, co jest równoznaczne z obrotem wału korbowego o niewielki kąt np. kąt A, wynoszący 15o, na rys. 3b, siła Fg, z którą gazy w komorze spalania naciskają na tłok, rozkłada się na dwie siły: - Ft siłę nacisku tłoka na tuleję cylindrową; - Fk siłę nacisku tłoka na korbowód. O sile Ft nacisku tłoka na tuleję cylindrową wspomniałem dla porządku, ale nie jest ona istotna w tym artykule, więc nie będziemy o niej dalej wspominać. Siła Fk, z którą tłok naciska na korbowód, jest przenoszona przez korbowód. Korbowód z tą samą siłą Fk naciska na ramię wykorbienia wału korbowego. Analogiczne jak na rys. 1b siła Fk naciska na ramię wykorbienia nie pod kątem prostym, dlatego do obliczenia wartości momentu obrotowego wykorzystujemy wzór nr 2, w którym uwzględniamy rzut siły Fk na kierunek prostopadły do ramienia wykorbienia, czyli uwzględniamy siłę Fkp patrz rys. 3b. Przy małym kącie A obrotu wału korbowego ustawienie korbowodu względem ramienia wykorbienia wału korbowego powoduje, że wartość siły Fkp, od której zależy wartość momentu obrotowego na wale korbowym silnika, jest znacznie mniejsza od siły Fk przenoszonej przez korbowód. Przy szczególnej wartości kąta obrotu wału korbowego kąt B, wynoszący 70o, na rys. 3c, przy której korbowód jest ustawiony prostopadle do ramienia wykorbienia wału korbowego, korbowód naciska z siłą Fk prostopadle do ramienia wykorbienia wału korbowego, a więc cała wartość tej siły, a nie tylko część, tak jak na rys. 3b, jest wykorzystana do tworzenia momentu obrotowego. Popatrzmy teraz na rys. 2 oraz 3 i przeanalizujmy zależność wartości momentu obrotowego silnika powstającego na wale korbowym w trakcie całego cyklu jego pracy, od przebiegu ciśnienia gazów w komorze spalania silnika i kąta obrotu wału korbowego. 1. Gdy tłok jest ustawiony w punkcie GMP (rys. 3a), moment obrotowy nie powstaje, dlatego duże wartości ciśnień w komorze spalania, np. przy za wczesnym początku procesu spalania linia 2 wykresu na rys. 2, obciążają tylko układ tłokowo-korbowy, nie generując oczekiwanej dużej wartości momentu obrotowego. 2. Jeśli zależy nam, aby w jednym cyklu pracy silnika została wykonana największa ilość pracy, to maksymalna wartość ciśnienia w komorze spalania powinna wystąpić przy kącie obrotu wału korbowego ok. 12o do 15o za GMP linia 1 wykresu na rys. 2. Wprawdzie maksymalna wartość ciśnienia w komorze spalania jest wówczas niższa od wartości, którą można uzyskać przy wcześniejszym rozpoczęciu procesu spalania, ale przy kątach obrotu wału korbowego, przy których kąt pomiędzy korbowodem a ramieniem wykorbienia wału korbowego jest bliski kątowi prostemu wartości kąta obrotu wału korbowego bliskie kątowi B na rys. 3c, ciśnienia gazów w komorze

5 spalania są jeszcze na tyle wysokie patrz linia 1 wykresu na rys. 2, że korzystne ustawienie korbowodu względem ramienia wykorbienia wału korbowego umożliwia uzyskanie względnie dużych wartości momentu obrotowego. 3. Jeśli proces spalania rozpoczyna się za wcześnie linia 2 wykresu na rys. 2, to przy kątach obrotu wału korbowego bliskich kątowi B (rys. 2) wartości ciśnień w komorze spalania są niższe niż podczas przebiegu spalania rozpoczętego w chwili Z1, co nie pozwala wykorzystać korzystnego ustawienia korbowodu względem ramienia wykorbienia wału korbowego (rys. 3c) dla uzyskania większych wartości momentu obrotowego. 4. Jeśli proces spalania rozpoczyna się za późno linia 3 wykresu na rys. 2, to przy kątach obrotu wału korbowego bliskich kątowi B (rys. 2) wartości ciśnień w komorze spalania są wprawdzie wyższe niż podczas procesów spalania rozpoczynanych wcześniej linie 1 i 2 wykresów na rys. 2, ale dużo niższe wartości ciśnień w komorze spalania, przy mniejszych kątach obrotu wału korbowego, powodują, że niższe są również chwilowe wartości momentu obrotowego silnika. W konsekwencji, jak już wspomniałem w poprzednim punkcie, przy za późnym rozpoczęciu procesu spalania całkowita praca wykonana w jednym cyklu pracy silnika jest najmniejsza. Należy jednak podkreślić, że dobór chwili rozpoczęcia procesu spalania tak, aby w jednym cyklu pracy silnik wykonywał największą ilość pracy, nie zawsze jest zadaniem pierwszoplanowym. Wartości kąta wyprzedzenia zapłonu (silnik ZI) lub kąta wyprzedzenia wtrysku (silnik ZS) mogą być również dobierane w celu uzyskania przykładowo: - zwiększonej zawartości tlenku węgla w spalinach napływających do trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego, zamontowanego w układzie wylotowym silnika ZI celem uzyskania wymaganej skuteczności konwertera katalitycznego w usuwaniu tlenków azotu NOX (tlenek węgla i węglowodory są związkami niezbędnymi do reakcji redukcji, czyli rozpadu tlenków azotu); - zwiększenia temperatury spalin dla zwiększenia temperatury filtra cząstek stałych zamontowanego w układzie wylotowym silnika ZS podczas procesu jego oczyszczania. [img_full]12136 Rys. 4. Moc przenoszona przez obracający się wał to iloczyn momentu obrotowego Mo przenoszonego przez wał i prędkości obrotowej wału n.[/img_full] Opisane zależności pomiędzy wartością momentu obrotowego a chwilą rozpoczęcia procesu spalania są wykorzystywane do regulacji wartości momentu obrotowego silnika ZI. Jeśli prędkość obrotowa biegu jałowego silnika ZI jest za mała, to układ stabilizacji prędkości obrotowej biegu jałowego silnika zwiększa wartość kąta wyprzedzenia zapłonu w celu zwiększania wartości momentu obrotowego silnika, co z kolei powoduje zwiększenie prędkości obrotowej biegu jałowego. Zmniejszenie wartości kąta wyprzedzenia zapłonu powoduje efekt odwrotny. Podobnie postępuje układ ASR (układ zapobiegający nadmiernemu poślizgowi kół napędowych). Jeśli nagle rośnie poślizg kół napędowych, to dla jego ograniczenia układ ASR wydaje polecenie sterownikowi silnika, ograniczenia wartości momentu obrotowego silnika. Najszybciej silnik reaguje, jeśli zmniejszana jest wartość kąta wyprzedzania zapłonu nawet do wartości ujemnych (proces spalania rozpoczyna się za punktem GMP). Zakres regulacji momentu obrotowego tej metody jest mały, ale jak wspomniałem, szybko przynosi efekt. Dopiero następnym w kolejności środkiem wykorzystywanym do obniżenia wartości momentu obrotowego jest zmniejszenie kąta otwarcia przepustnicy. Trzeba jednak dłużej czekać na reakcję silnika, ale za to ten środek daje pełen zakres regulacji. Z kolei w silnikach ZS wiedza o powstawaniu momentu obrotowego jest pomocna dla zwiększenia wartości momentu obrotowego, a jednocześnie zmiękczenia jego pracy, czyli zmniejszenia głośności silnika powodowanej przez szybki przyrost ciśnienia w komorze spalania po rozpoczęciu procesu spalania. W tym celu dąży się do: - zmniejszenia szybkości przyrostu ciśnienia w komorze spalania; - unikania występowania wysokich wartości ciśnień w komorze spalania przy małych wartościach kąta obrotu wału korbowego; - utrzymywania wyższych wartości ciśnień w komorze spalania przy większych wartościach kąta

6 obrotu wału korbowego (przy korzystniejszym ustawieniu korbowodu względem wału korbowego), co uzyskuje się przez wielofazowy wtrysk paliwa oraz recyrkulację spalin, która również zmniejsza prędkość procesu spalania, ale w tym przypadku korzystnie. Moc Jest ona miarą ilości pracy wykonywanej w jednostce czasu. Jeśli wał (rys. 4) obraca się z prędkością obrotową n i przenosi moment obrotowy Mo, to moc przekazywaną przez ten wał obliczamy z wzoru (3): [img_full]12140 [/img_full] Jeśli znamy prędkość obrotową i moment obrotowy silnika, to wzór 3 umożliwia obliczenie jego mocy. Tak jest ona wyznaczana na hamowni silnikowej, ponieważ taki typ hamowni nie mierzy bezpośrednio mocy silnika, ale mierzy jego moment obrotowy. Odwrotnie określana jest moc silnika na hamowni podwoziowej. Bezpośrednio mierzona jest moc oddawana na kołach napędowych samochodu. Po jej pomniejszeniu o straty w układzie napędowym (można je wyznaczyć), poznajemy moc silnika. Gdy znamy moc i prędkość obrotową silnika, to przekształcony wzór 3 umożliwia obliczenie jego momentu obrotowego. Jeśli samochód jedzie z prędkością V (rys. 5), a na kołach napędowych jest generowana siła napędowa konieczna do pokonania oporów ruchu, to moc Nn konieczną do jego napędu obliczamy z wzoru (4): [img_full]12141 [/img_full] W następnym odcinku omówię charakterystyki silników oraz opory, które towarzyszą ruchowi samochodu. [img_full]12137 Rys. 5. Moc konieczna do napędu samochodu to iloczyn siły napędowej na kołach napędowych pojazdu Fnk i prędkości samochodu V.[/img_full] mgr inż. Stefan Myszkowski Źródło: