Silniki tłokowe. Dr inż. Robert JAKUBOWSKI

Transkrypt

1 Silniki tłokowe Dr inż. Robert JAKUBOWSKI

2 Literatura rzedmiotu: Dzierżanowski P. i.in: Silniki Tłokowe z serii Naędy lotnicze, WKŁ. Warszawa 98 Borodzik F.: Budowa silnika z serii Aeroklub olski szkolenie samolotowe, WKŁ Warszawa 973 Ambrozik A.:Wybrane zagadnienia rocesów cielnych w tłokowych silnikach salinowych, Wyd. Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce 2003 Cheda W., Malski M.: Techniczny oradnik lotniczy, Silniki, WKŁ, Warszawa 984 Wender J. Wajand J.: Silniki salinowe małej mocy, WNT, Warszawa 983

3 Podstawowe tyy silnika tłokowego ze względu na zasadę działania Silnik czterosuwowy Silnik dwusuwowy Silnik z wirującym tłokiem silnik Wankla

4 Zasada racy silnika czterosuwowego

5 Zasada racy silnika dwusuwowego SUW W DÓŁ SUW W GÓRĘ

6 Przełukiwanie cylindra

7 Nowe koncecje silnika dwusuwowego

8 Zasada racy silnika Wankla

9 Silniki tłokowe Obieg silnika tłokowego 2 s = 2 2 ε = 2 - objętość maksymalna - objętość minimalna - objętość skokowa - stoień srężania

10 Procesy w silniku salinowym są bardzo złożone, albowiem w trakcie racy silnika mamy do czynienia z szeregiem zjawisk, które są trudne do oisania w formie rostych formuł matematycznych dających możliwość szybkiego rozwiązania oraz łatwej interretacji. Dlatego na etaie oracowywania nowych konstrukcji, jak i doskonalenia już istniejących owszechnie wykorzystuje się uroszczone modele obiegu racy silnika tłokowego.

11 Obiegi silnika Teoretyczny jest wzorcem rzedstawiającym rzy omocy rzemian idealnych obieg energii w silniku. Czynnik roboczy oisany jest za omocą modelu gazu doskonałego (Carnota, Joula, Brytona, Otto) Porównawczy - obieg bardziej dostosowany ze względu na analizę silników salinowych, wykorzystujący ois zachodzących rzemian jako odwracalne, rzy czym model czynnika roboczego traktuje się jako gaz ółdoskonały lub rzeczywisty oraz uwzględnia się suwy wymiany ładunku Rzeczywisty ujmujący najełniej ogół zjawisk wystęujących w silniku, bazujący na możliwie jak najdokładniejszym oisie rzeczywistych zjawisk zachodzących w silniku salinowym. Obieg można otrzymać na odstawie wykresu indykatorowego

12 Obieg teoretyczny Przemiany w obiegu są rzemianami odwracalnymi Czynnik roboczy jest traktowany jako gaz idealny (c, c v, k, R stałe) Pomija się zmianę ilości czynnika w obiegu Proces salania traktuje się jako równoważny mu roces dorowadzenia cieła Proces wymiany ładunku rzyjmuje się jako roces odrowadzenia cieła z układu

13 Obiegi teoretyczne silnika tłokowego Obieg Otto Obieg Otto 3-2 izentroowe sreżanie 2-3 izochoryczne dorowadzenie cieła 3-4 izentroowe rozrężanie 4- izochoryczne odrowadzenie cieła 2 4 Przybliżony model racy silnika o załonie iskrowym

14 Obiegi teoretyczne silnika tłokowego Obieg Diesla Obieg Diesla izentroowe sreżanie 2-3 izobaryczne dorowadzenie cieła 3-4 izentroowe rozrężanie 4- izochoryczne odrowadzenie cieła 4 Przybliżony model racy ierwszych silników o załonie samoczynnym (srężarkowych)

15 Obiegi teoretyczne silnika tłokowego Obieg Sabathe Obieg Sabathe izentroowe sreżanie 2-3 izobaryczne dorowadzenie cieła 3-4 izochoryczne dorowadzenie cieła 4-5 izentroowe rozrężanie 2 5- izochoryczne odrowadzenie cieła 5 Przybliżony model racy wsółczesnych silników o załonie samoczynnym

16 Praca obiegu i srawność cielna obiegu silnika 3 4 PRACA OBIEGU lob = qdo qod 2 l ob CEPŁO DOPROWADZONE ( ) ( ) q = q + q = c T T + c T T do v SPRAWNOŚĆ CIEPLNA OBIEGU η = c l q ob do q = q od do 5 CEPŁO ODPROWADZONE od ( ) q = q = c T T 5 v 5 Srawność obiegu jest tym większa im większa jest raca obiegu uzyskiwanego z tej samej ilości dorowadzonego cieła

17 Uogólniony termodynamiczny obieg silnika tłokowego oraz 5 6 ε = λ = 2 ρ = 4 2 σ = 5 4 ρ ' = Stoień srężania Stoień wzrostu ciśnienia odczas dorowadzania cieła rzy =const. Stoień wstęnego rozrężania odczas dorowadzania cieła rzy =const. Stoień dalszego rocesu rozrężania Stoień wstęnego srężania odczas oddawania cieła rzy =const. ρ ' ε = σρ ε σ = ρ ρ'

18 Parametry termodynamiczne obiegu orównawczego ciśnienie objętość temeratura 3 4 = 2 k ε k 2 = ε T2 = Tε k 3 = ε λ = 3 2 k T3 = Tε λ 2 = ρ ε k 4 = = k k 5 = ε λ ρ T Tε λρ k k 5 = σ ' T5 = Tε λ ρ σ 5 = σρ ε 5 6 = T6 = Tρ ' 6 6 = σ ' oraz ρ ' ε = σρ ε σ = ρ ρ'

19 Praca obiegu ( ) ( ) ( ) ( ) lob = qdo qod = cv T3 T2 + c T4 T3 cv T5 T6 + c T6 T = Po odstawieniu: ( ) + ( ) ( ) + ( ) c T T k T T c T T k T T v v k k ε σρ lob = Tc v ε ( λ ) kλ ( ρ ) + λρ + ( k ) k σ ε 3 4 Dla obiegu Sabathe ρ ' =, ε = ρσ k k { ε ( λ ) λ ( ρ ) λ ρ } lob = Tc v + k 2 Dla obiegu Otto ρ ' =, ρ =, ε = σ k ( )( ) lob = Tc v λ ε 5 6 Dla obiegu Diesla ρ ' =, λ =, ε = ρσ k k { ε ( ρ ) ρ } lob = Tc v k

20 Srawność cielna obiegu η ob k ε σρ λρ ( k ) k l q + ob od σ ε = = = k qdo qdo ε ( λ ) + kλ( ρ ) 3 4 Dla obiegu Sabathe ρ ' =, ε = ρσ η ob = k λρ ( ) + k ( ) k ε λ λ ρ 2 Dla obiegu Otto ρ ' =, ρ =, ε = σ = ε η ob k 5 6 Dla obiegu Diesla ρ ' =, λ =, ε = ρσ l ob = k ε k ρ k ( ρ )

21 Średnie ciśnienie obiegu k ε = l = λ + kλ ( ρ ) η ( k ) ( ερ ' ) ob s ob 3 4 Dla obiegu Sabathe ρ ' =, ε = ρσ k ε = λ + kλ ( ρ ) η ( k )( ε ) ob 2 Dla obiegu Otto ρ ' =, ρ =, ε = σ k ε = ( )( ) ( λ ) k ε η ob 5 6 Dla obiegu Diesla ρ ' =, λ =, ε = ρσ ε = k k ( k )( ε ) ( ρ ) η ob

22 Wływ wybranych arametrów na arametry obiegu 3 4 Parametry wyjściowe rzyjęte do analizy ε = 6, λ = 2, ρ = 2, ρ' = 2 5 6

23 Podsumowanie analizy obiegu silnika orównawczego Najefektywniej można odnosić racę obiegu silnika orzez zwiększanie ilości cieła dostarczonego w rocesie izochorycznym a nastęnie w rocesie izobarycznym Na odnoszenie srawności cielnej silnika (zmniejszanie zużycia aliwa) wływa odnoszenie stonia srężania w silniku Stosunkowo niekorzystny wływ na srawności cielną obiegu ma zwiększanie racy obiegu orzez izobaryczne dorowadzanie cieła

24 Określanie arametrów użytkowych na odstawie analizy obiegu silnika ŚREDNIE CIŚNIENIE OBIEGU sr = Lob s = lob vs 3 4 MAKSYMALNE CIŚNIENIE OBIEGU k = λ = λ ε 3 2 q q λ = ct + = + v v k v 2 ct v aε 2 sr 5 6 MAKSYMALNA TEMPERATURA OBIEGU k T4 = Tε λρ q q ρ = + = + ct k 3 ct aε λ

25 Obieg teoretyczny silnika doładowanego Stoień srężania w srężarce: ε = sr a Całkowity stoień srężania: ε = ε ε c sr 5 Doładowanie a b Zastosowanie doładowania zwiększa ciśnienie maksymalne w obiegu a także odnosi temeratury obiegu. W odniesieniu do silnika bez doładowania zwiększa srawność obiegu orzez zwiększenie całkowitego stonia srężania η ob ( ) ( ) ( ) k k ( ρλ ) ( ) + ( ) l qod kcv Tb T ob a = = = = k qdo qdo cv T3 T2 + kcv T4 T3 ε c λ kλ ρ

26 Obieg rzeczywisty silnika czterosuwowego Procesy zachodzące odczas racy silnika nie są odwracalne Dorowadzenie cieła odbywa się orzez salanie, a nie dorowadzenie cieła, W silniku rzeczywistym uwzględnia się wymianę cieła między ładunkiem, a ściankami silnika, Uwzględnia się straty rzeływowe wystęujące w trakcie naełniania i oróżniania cylindra, W cylindrze o zakończeniu wydechu ozostaje ewna ilość salin, stąd w czasie racy silnika czynnik roboczy jest mieszanką świeżego ładunku i ozostałych salin Ilość czynnika roboczego biorąca udział w obiegu jest zmienna

27 Obieg silnika tłokowego czterosuwowego niedoładowanego -2 srężanie z inicjacją rocesu salania 2-3 salanie 3-4 suw racy OZW-ZZW usuwanie roduktów salania z komory cylindra OZD-ZZD naełniane cylindra świeżym ładunkiem Praca indykowana L = d = A a a i i v Ciśnienie indykowane i d = = Moc indykowana s L Li n P i = nobr [ / s] 2 Moc efektywna P = P P i str i s Moment obrotowy Mo = P ω

28 Zużycie aliwa ZUŻYCIE PALIWA NA JEDEN CYKL PRACY SILNIKA m = Q η W al do sal u Wu ηsal -wartość oałowa aliwa - srawność cielna rocesu salania SEKUNDOWE ZUŻYCIE PALIWA m = m n m = m n 2 al al lub al al JEDNOSTKOWE ZUŻYCIE PALIWA b = m P j al

29 Fazy racy rozrządu załon otwarty zawór dolotowy otwarty zawór wylotowy

30 Źle dobrany załon silnika załon zbyt wczesny załon oóźniony

31 Salanie stukowe Lokalnie w silniku dochodzi do samozałonu mieszanki, co owoduje lokalny imulsowy wzrost ciśnienia i temeratury. Proces ten jest niekontrolowany i nieożądany - wystęuje gdy aliwo ma zbyt małą liczbę oktanową, a stoień srężania jest zbyt duży.

32 Obieg silnika tłokowego czterosuwowego 3 doładowanego -2 srężanie z inicjacją rocesu salania 2-3 salanie 3-4 suw racy OZW-ZZW usuwanie roduktów salania z komory cylindra OZD-ZZD naełniane cylindra świeżym ładunkiem rzy ciśnieniu wyższym od atmosferycznego 2 Z a OZW 4 OZD ZZD a ZZW ZZ ZW

33 Metody doładowania silnika

34 Porównanie wykresów obiegu silnika Silnik bez doładowania Silnik doładowany

35 Obieg silnika dwusuwowego 3-2 srężanie z inicjacją rocesu salania 2-3 salanie 3-4 suw racy 4- rzełukiwanie cylindra Praca indykowana L = d = A a a i i v Ciśnienie indykowane i Moc indykowana P i d = = = Ln i s L i s nobr [ / s] 2 a GMP Z 4 DMP Moc efektywna P = P P i str Moment obrotowy Mo = P ω

36 Charakterystyka zewnętrzna silnika

37 Charakterystyka dławiona silnika

38 Wsółraca silnik śmigło

39 Dobór śmigła do silnika

40 Wsółraca śmigła rzestawianego z silnikiem β kąt nastawienia śmigła

41 Charakterystyka śmigłowa Moment obrotowy M o = Cn 2 Moc P = Cn 2 3 C, C2 -stałe zależne od śmigła i kątów ustawienia łoat

42 Charakterystyka silnika Asz 62

43 Charakterystyka ogólna silnika

44 Charakterystyka wysokościowa Przeliczanie arametrów racy silnika na wysokości P H T = P0 0 TH H 0, 0, b jh = b j0, 0, 0 H T T H 0

45 Characterystyka wysokościowa silnika doładowanego Moc Silnik niedoładowany Moc rzelotowa niezbędna na wysokości H N H Silnik doładowany H

46 Charakterystyka rędkościowa silnika W silnikach tłokowych rzyrost rędkości lotu nieznacznie wływa na moc silnika niedoładowanego owodując jej wzrost (dla =400 km/h zwiększenie mocy wynosi ok. 6%), natomiast nie owoduje zmian mocy silnika doładowanego o stałym ciśnieniu ładowania w danym zakresie rędkości. Jednostkowe zużycie aliwa ozostaje rzy tym na raktycznie stałym oziomie. Natomiast ciąg wytwarzany rzez śmigło istotnie zależy od rędkości zgodnie z zależnością: K = η sm P H Całkowity ciąg zesołu naędowego wyraża się zależnością: K = Σ K + K gdzie: ciąg dodatkowy: K = m salsal Dla H 500 km/h ciąg dodatkowy stanowi istotny udział w ciągu całkowitym zesołu naędowego w granicach 5..20% ciągu całkowitego silnika

47 Zesoły i układy silnika tłokowego Karter Układ korbowy (cylindry, tłoki z ierścieniami, korbowody, wał korbowy oraz elementy mocowania) Układ rozrządu Układ zasilania Układ smarowania Układ chłodzenia Układ załonowy Układ rozruchowy

48 Zesoły i układy silnika tłokowego

49 Karter silnika rzędowego

50 Karter silnika gwiazdowego

51 Cylinder Tuleja cylindra Głowica cylindra

52 Cylinder (Świeca załonowa) (Wtryskiwacz) Prowadnica zaworu Kolektor dolotowy Kolektor wylotowy Gniazdo zaworu rozrządu Żebra odrowadzające cieło Gładź cylindra Kołnierz oorowy

53 Tłok

54 Wsółraca korbowód tłok

55 Korbowód silnika rzędowego Silnik jednorzędowy Silnik dwurzędowy tyu

56 Korbowód silnika gwiazdowego Korbowód główny Korbowód rzyczeny Sworzeń korbowodu rzyczenego

57 Wał korbowy

58 Układ rozrządu Układ z wałkiem rozrządu (Silniki rzędowe) Układ z tarczą krzywkową (Silniki gwiazdowe)

59 Elementy układu rozrządu wkręt regulacyjny srężyna zaworu dźwignia zaworu zawór drążek oychacza oychacz wałek rozrządu