THE THERMODYNAMIC CYCLES FOR THE DOUBLE PISTONS INTERNAL COMBUSTION ENGINE OBIEGI PRACY DWUTŁOKOWEGO SILNIKA SPALINOWEGO

Transkrypt

1 Journal of KONES Internal Combustion Engines 2002 No. 3 4 ISSN THE THERMODYNAMIC CYCLES FOR THE DOUBLE PISTONS INTERNAL COMBUSTION ENGINE Adam Ciesiołkiewicz Instytut Techniki Cieplnej Politechniki Śląskiej w Gliwicach Zakład Techniki Spalania i Silników Spalinowych ul. Konarskiego 18, GLIWICE Tel. (032) , Fax: (032) ciesiol@itc.ise.polsl.gliwice.pl Abstract The conception of the double pistons internal combustion engine is based on the combination of two stroke and fourstroke engines in one cylinder. The thermodynamic cycles for new double pistons internal combustion engine are presented in this paper. The ideal cycle, the comparative cycle and the expected working engine cycle were considered. The characteristic indices of the double pistons internal combustion engine were determinated. OBIEGI PRACY DWUTŁOKOWEGO SILNIKA SPALINOWEGO Streszczenie Zasada pracy silnika dwutłokowego oparta jest na skojarzeniu w jedną całość silnika dwu i czterosuwowego. W opracowaniu przedstawiono obiegi pracy nowego silnika dwutłokowego. Wyróżniono obiegi: teoretyczny, porównawczy i prognozowany obieg rzeczywisty. Określono charakterystyczne wskaźniki pracy silnika dwutłokowego. 1. Wprowadzenie Tłokowe silniki spalinowe są najbardziej rozpowszechnionym źródłem napędu, szeroko stosowanym w różnorakich dziedzinach, głównie motoryzacji. Zakres ich wykorzystania sprawia, iż problem zużycia paliwa oraz zanieczyszczenia środowiska życia człowieka jest priorytetowym zagadnieniem dla ludzkości u progu XXI wieku. Konstrukcje współczesnych silników spalinowych, tak czterosuwowych jak i dwusuwowych, choć stale ulepszane, cechują się nadal wieloma wadami. Analizując własności obecnie stosowanych silników spalinowych, można dojść do następujących wniosków: Poprawa napełnienia cylindra (w tym zmiana sposobu wymiany ładunku) dla silnika dwusuwowego przyniosłaby wymierne korzyści w postaci zwiększenia sprawności tego silnika oraz zmniejszenia zużycia paliwa; Odpowiednia konstrukcja układu smarowania ciśnieniowego silnika dwusuwowego pozwoliłaby na ograniczenie emisji składników toksycznych w gazach wylotowych; Wydłużenie krzywej ekspansji silnika umożliwi odebranie większej porcji energii rozprężającego się gazu w cylindrze; Odpowiednio opracowana konstrukcja układu wymiany ładunku pozwoliłaby zmniejszyć udział strat mechanicznych (tarcia i sił bezwładności elementów układu rozrządu) w ogólnym bilansie silnika. 45

2 Konstrukcjami, w których mogą być zebrane zalety poszczególnych rodzajów silników, są silniki dwutłokowe. Interesującą konstrukcją, zdaniem autorów [1], wydaje się być silnik dwutłokowy M4+2, którego innowacyjne rozwiązania pozwalają na osiągnięcie obiecujących wskaźników pracy. 2. Dwutłokowy silnik spalinowy Koncepcja dwutłokowego silnika spalinowego oparta jest na skojarzeniu i wykorzystaniu zalet silników: dwu- i czterosuwowego. Silnik dwusuwowy charakteryzuje się prostą konstrukcją, łatwym systemem wymiany ładunku i większym wskaźnikiem mocy z jednostki objętości, posiada jednak gorszy w stosunku do silnika czterosuwowego stopień wymiany ładunku pomiędzy kolejnymi cyklami pracy i niekorzystne wskaźniki ekologiczne; natomiast minusem silnika czterosuwowego jest system zaworów. Cylindry obydwu modułów silnika (dwusuw, czterosuw) połączone zostały wzdłuż jednej osi wspólną głowicą pierścieniem, a tłoki poruszają się z różnymi prędkościami przy odpowiednim przesunięciu fazowym (rys.1). W prezentowanym rozwiązaniu stosowane są dwa wały korbowe, których obroty muszą być zsynchronizowane ze sobą przez przekładnię łączącą te wały wał części czterosuwowej obraca się dwukrotnie szybciej niż wał części dwusuwowej. Przestrzeń roboczą cylindra wyznaczają denka obydwóch tłoków i wewnętrzne powierzchnie cylindrów oraz pierścienia stąd nazwa nowego modelu jako silnik dwutłokowy. Praca silnika oparta jest na współdziałaniu obydwu modułów, z tym, że wymiana ładunku odbywa się w części dwusuwowej, a tłok części czterosuwowej jest układem wspomagającym tę wymianę w pewnym sensie tłok ten przejął rolę bezzaworowego układu wymiany ładunku. Napełnianie świeżym czynnikiem (mieszanka paliwowo-powietrzna lub powietrze) odbywa się przy nadciśnieniu (doładowanie) przez rotacyjny zawór obrotowy, natomiast spaliny usuwane są przez kanały (okna) wylotowe. Zasilanie paliwowe oparte jest na układach wtryskowych, a zapłon realizowany jest przez układ z dwiema świecami zapłonowymi. Powstałe w wyniku spalania gazy równocześnie oddziaływają na denka obydwu tłoków i moc na zewnątrz przenoszona jest przez dwa wały korbowe. Istotną cechą silnika jest sposobność zmiany pojemności skokowej i stopnia kompresji podczas pracy silnika poprzez zmianę faz położenia tłoków dzięki temu w pewnym zakresie można kształtować przebieg ciśnienia gazów podczas spalania paliwa. Dla silnika stworzono odpowiednie, bardzo interesujące modele matematyczne w zakresie mechanicznym i termodynamicznym, co umożliwiło opracowanie nowego obiegu porównawczego pracy dwutłokowego silnika spalinowego. 3. Obieg teoretyczny Obieg teoretyczny dwutłokowego silnika spalinowego bazuje na obiegu Seiligera- Sabathe go (obieg mieszany klasycznych tłokowych silników spalinowych) z istotną modyfikacją w zakresie sprężania czynnika. Schemat obiegu w układzie pracy (p-v) i w układzie ciepła (T-s) przedstawiono na rys.2. Obieg teoretyczny silnika dwutłokowego składa się z dwóch izentrop, dwóch izochor, izobary i izotermy. Stan początkowy czynnika (punkt 1) określony jest przez ciśnienie p z >p o, objętość V p i temperaturę T o. Na odcinku 1-2 następuje izentropowe sprężanie czynnika do ciśnienia p 2, po czym w wyniku spalania następuje doprowadzenie ciepła do czynnika obiegowego. Ciepło doprowadzane jest dwufazowo: najpierw przy stałej objętości kompresyjnej V 2 =V o =idem (Q dv, odcinek 2-3), a później przy stałym ciśnieniu maksymalnym p 3 =p max =idem (Q dp, odcinek 3-4). Dwufazowe doprowadzenie ciepła do czynnika w głównej mierze wynika z większego, w stosunku do silnika ZI, gradientu objętości przestrzeni roboczej w zakresie objętości kompresyjnej cylindra. W punkcie 4 czynnik osiąga maksymalną temperaturę i maksymalne ciśnienie. Fazę pracy obrazuje izentropowe rozprężanie czynnika (4-5) od ciśnienia p max do ciśnienia p 5. Charakterystyczną cechą obiegu silnika jest przedłużona ekspansja czynnika. Spadek ciśnienia na odcinku 5-6 spowodowany jest izochorocznym wyprowadzeniem ciepła (Q wv ). Pewna porcja ciepła odprowadzana jest podczas przemiany izotermicznej (6-1), przy jednoczesnym wstępnym 46

3 sprężeniu czynnika do ciśnienia p z. Efektywną objętość skokową cylindra V s określa różnica objętości największej i kompresyjnej V s =V max -V o. Wśród wskaźników pracy silnika dwutłokowego wyróżniono: sprawność teoretyczną η t, średnie ciśnienie teoretyczne p t, moc jednostkową N t /V s. Wskaźniki te zależą od parametrów obiegu, w tym od przyjętego zakresu temperatur i od objętości pośredniej V p. W wyniku przeprowadzonych obliczeń stwierdzono, że występuje niewielki przyrost sprawności teoretycznej i nieco większy wzrost średniego ciśnienia teoretycznego (do 30 %). Podstawowa, bardzo korzystną, cechą silnika jest duża wartość wskaźnika mocy jednostkowej, przewyższająca dotychczas spotykane wartości. 4. Obieg porównawczy i rzeczywisty silnika dwutłokowego Obieg porównawczy silnika dwutłokowego różni się od obiegu teoretycznego zmodyfikowanym przebiegiem przemian podczas wyprowadzania ciepła i zasilania przestrzeni roboczej świeżym ładunkiem. Wyprowadzenie ciepła od czynnika obiegowego odbywa się podczas izochorycznego wylotu spalin (tak jak w obiegu teoretycznym) i izobarycznego wytłaczania spalin przy p w >p o. Natomiast napełnienie przestrzeni roboczej świeżym ładunkiem następuje przy stałej objętości V p przy równoczesnym wzroście ciśnienia tego ładunku do p z. Wartość ciśnienia czynnika podczas dolotu wynika z równości temperatur T 6 =T 1. Schemat obiegu porównawczego silnika dwutłokowego przedstawiono na rys.3. Obieg porównawczy silnika dwutłokowego można porównać z obiegiem czterosuwowego silnika doładowanego (rys.4). Jak widać, uzyskuje się podobny charakter przemian, ale przy mniejszym ciśnieniu na końcu sprężania i przy jednym obrocie wału korbowego na cykl pracy silnika. Na tej podstawie można stwierdzić, że obieg porównawczy silnika dwutłokowego wykorzystuje zalety obiegu Millera i obiegu silnika Stirlinga. Schemat prognozowanego rzeczywistego obiegu dwutłokowego silnika spalinowego przedstawiono na rys Podsumowanie Analiza wskaźników silnika dwutłokowego wykazuje, że nowy silnik pozwala lepiej wykorzystać energię zawartą w paliwie. Osiąga on wyższe wartości wskaźników porównawczych niż klasyczne, czterosuwowe i dwusuwowe, silniki spalinowe o takiej samej objętości skokowej. Rozprężanie ładunku pomiędzy dwoma tłokami ma tę zaletę, że wyraźnie zmniejsza naprężenia działające w układzie korbowym dzięki temu, że szczyt ciśnienia w cylindrze występuje w momencie, gdy wykorbienie wału części czterosuwowej jest odchylone o pewien kąt od osi cylindra. W silniku występuje możliwość płynnej zmiany położenia tłoków względem siebie poprzez biegunowe przestawienie wałów korbowych. Umożliwia to na zmianę, w pewnych granicach, stopnia kompresji przy sprężaniu czynnika. Istnieje więc sposobność dostosowywania parametrów i osiągów silnika do warunków zewnętrznych (obciążenia częściowe, inne paliwo, itp.). Literatura 1. Ciesiołkiewicz A., Mężyk P.: Dwutłokowy silnik spalinowy. Konferencja KONES 2002, Gdańsk Szargut J.: Termodynamika. PWN, Warszawa

4 a) b) Rys. 1. Dwutłokowy silnik spalinowy: a) schemat budowy silnika, b) fazy pracy i charakterystyka zmian objętości przestrzeni roboczej cylindra 48

5 Rys. 2. Obieg teoretyczny dwutłokowego silnika spalinowego w układzie p-v (a) i w układzie T-s (b) Rys. 3. Obieg porównanwczy dwutłokowego silnika spalinowego 49

6 Rys. 4. Porównanie obiegu dwutłokowego silnika spalinowego z obiegiem czterosuwowego silnika doładowanego Rys. 5. Prognozowany obieg rzeczywisty dwutłokowego silnika spalinowego 50