BASIC PROCEDURES OF INDEPENDENT INTERNAL COMBUSTION ENGINE VALVES STEERAGE PODSTAWOWE PROCEDURY NIEZALEŻNEGO STEROWANIA ZAWORAMI SILNIKA SPALINOWEGO

Transkrypt

1 Journal of KONES Powertrain an Transort, Vol. 13, No. 3 BASIC PROCEDURES OF INDEPENDENT INTERNAL COMBUSTION ENGINE VALVES STEERAGE Stefan Postrzenik, Zbigniew Żmuka Silesian University of Technology, Institute of Thermal Technology Konarskiego 18, Gliwice, Polan tel.: , fax: ostef@olsl.l Abstract Effective work of internal combustion engines, which are use as the riving source of cars, occurs not only at the full loa, but mostly at the art loa, when the energy efficiency η e is significant lower than in the otimal (nominal fiel) range of the erformance arameters. One of the numerous reasons of this state is regular growing of the relative loa exchange work of the IC engine. Using the worke out theoretical formulas it has been calculate that the relative loa exchange work can achieve value u to 40 % at the art loa (e.g. ile run) of the IC engine, whereby in real systems the engine see influences the results too. As consequence of the growing of the relative loa exchange work is the significant ro of the engine efficiency; from ca. 55 % own to ca. 25 %. The solutions of this roblem are base on the fully ineenent control of the motion of inlet an outlet valves, whereby the otimal internal recirculation ratio of flue gases shoul be taken into account. New reference cycles can be alie too. Keywors: combustion engines, oeration criteria, engine efficiency, valves steerage PODSTAWOWE PROCEDURY NIEZALEŻNEGO STEROWANIA ZAWORAMI SILNIKA SPALINOWEGO Streszczenie W racy rzestawiono główne roblemy związane z eksloatacją silnika salinowego rzy obciążeniach niższych o nominalnych. W olu racy silnika salinowego wystęuje oobszar jego otymalnej eksloatacji (najniższe jenostkowe zużycie aliwa g e, kg/kwh, najwyższa efektywna srawność η e ). Silnik racuje najczęściej o obciążeniem częściowym, a wtey jego efektywna srawność η e jest znacznie niższa aniżeli w obszarze nominalnym. Jeną z głównych rzyczyn jest wzglęny wzrost racy wymiany łaunku. Przerowazone, na ostawie oracowanego teoretycznego algorytmu, obliczenia wykazały, że wzglęna raca wymiany łaunku może ochozić o 40% (n. na biegu jałowym). Rezultatem wzrostu wzglęnej racy wymiany łaunku jest znaczący saek srawności silnika z ok. 55% o wartości ok. 25%. W celu ograniczenia tych strat roonuje się różne możliwości n. elektroniczne sterowanie ruchem zaworów olotowych i wylotowych, leszą organizację obiegu termoynamicznego. Przeglą kryteriów, roonowanych rozwiązań w tym zakresie oraz możliwości orawy racy silników są rzemiotem zainteresowań. Słowa kluczowe: silniki salinowe, kryteria eksloatacji, efektywność racy, sterowanie zaworami 1. Wrowazenie: ogólna charakterystyka zaganienia 1.1. Znaczenie oraz analiza możliwości ograniczenia strat związanych z realizacją rocesu wymiany łaunku Wobec systematycznie zmniejszających się zasobów ciekłych aliw koalnych (ersektywa ok. 40 lat), srawa znaczącego obniżenia zużycia aliwa rzez silniki salinowe, wykorzystywane o naęu samochoów, jest zisiaj szczególnie oważnie traktowana [3, 4]. Coraz barziej aktualne staje się nośne hasło: samochó zużywający 3 litry aliwa na 100 km rzebytej rogi.

2 S. Postrzenik, Z. Żmuka Cechą charakterystyczną eksloatacji ojazów jest fakt wystęowania częstych zmian arametrów obciążenia (rękości obrotowej n& o, obr./min, rzenoszonego momentu obrotowego M o, Nm/ra, rzekazywanej efektywnej mocy N e, kw) silnika salinowego naęzającego samochó. W konsekwencji tego raca silnika o obciążeniem okłanie nominalnym (otymalnym) wystęuje stosunkowo rzako, natomiast najczęściej ma miejsce jego częściowe obciążenie [2], [5], [7], o różnym ochyleniu arametrów o unktu nominalnej racy silnika. Problem ten ma bezośreni związek z wielkością onoszonych kosztów eksloatacji ojazu, a nastęnie także z wielkością emisji substancji szkoliwych (zarówno skłaniki gazowe: tlenek węgla CO, tlenki azotu NO x, węglowoory C m H n, tlenki siarki SO y, jak i cząstki stałe: saza, skonensowane węglowoory). Niebagatelną srawą jest onato otrzeba ograniczenia wielkości emisji gazów rzyczyniających się bezośrenio o intensyfikacji efektu cielarnianego [7], w tym rzee wszystkim wutlenku węgla CO 2. W obszarach racy znacznie oalonych o stanów nominalnych (otymalnych) efektywna srawność η e silnika salinowego jest znacznie niższa aniżeli w obszarze otymalnym. Ilustracją tego jest rys. 1, [7], gzie orócz charakterystyk zewnętrznych (lewa strona) zaznaczono izolinie jenostkowego zużycia aliwa b e = iem w całym olu racy (rawa strona) silnika salinowego. Proces konwersji energii zachozący w ukłazie tłokowego silnika salinowego scharakteryzować można za omocą jego efektywnej srawności energetycznej η e, Ne zefiniowanej jako: η e =, (1) m& W gzie: N e, kw - moc efektywna silnika salinowego, oraz m&, kg/s - strumień masy salanego aliwa, o wartości oałowej W, kj/kg. Stanarowym oniesieniem (n. w asekcie oceny jakości realizowanej konwersji energii w uklazie), la rzeczywistego obiegu silnika salinowego, jest teoretyczny obieg orównawczy, zawierający onato główne, wyiealizowane etay [4] ziałania ukłau. Efektywną srawność energetyczną η silnika (wzór (1)), można wyrazić jako iloczyn: a onato: gzie: - srawność obiegu orównawczego (o mocy N 0 ), η o η i - srawność wewnętrzna silnika, rzy czym wynoszą one: natomiast ilorazy: to: e e o i m η = η ξ ξ = η ξ, (2) i o i i m η = η ξ, (3) No η o =, m& W f Ni ξ i =, N o Ni η i =, (4) m& W i f N e ξ m =, (5) N ξ - stoień oskonałości wewnętrznej, ξ - stoień oskonałości mechanicznej silnika. i m W miejsce efektywnej srawności energetycznej η e stosuje się wskaźnik wzglęnego m& jenostkowego zużycia aliwa: be =, kg/kws, rzy czym: η e be W = 1 (6) N e Fakt znaczącego zmniejszania się efektywnej srawność η e silnika w obszarze ozaotymalnym objawia się wzrostem jenostkowego zużycia aliwa b e, kg/kwh (rys. 1). Dzięki zmianom obiegu orównawczego można osiągnąć wyższe wartości srawności energetycznej η, tym samym wyższe wartości efektywnej srawności energetycznej η. o e 296

3 Basic Proceures of Ineenent Internal Combustion Engine Valves Steerage moment, Nm/ra Silnik BMW, 6-cyl., D moc moment rękość obrotowa, obr/min moc, kw raca jenostk., le,v kj/(m 3 cykl) rękość obrotowa, obr/min Rys. 1. Przykłaowe charakterystyki eksloatacyjne silnika salinowego [5] Fig. 1. Exemlary oerating characteristics of internal combustion engine [5] Sośró wielu rzyczyn tego stanu rzeczy jako istotne wymienić należy (wzglęne): a) wzrost racy wymiany łaunku (zmniejszenie stonia ξ i oskonałości wewnętrznej), b) wzrost racy tarcia w ukłazie (obniżenie stonia ξ m oskonałości mechanicznej). Większe otencjalne możliwości orawy sytuacji wiązać można z ograniczeniem strat w rocesie wymiany łaunku, co owinno skutkować wzrostem stonia ξ i oskonałości wewnętrznej, szczególnie w obszarach znacznie oalonych o stanów nominalnych racy silnika. Dzisiaj najczęściej stosowany jest klasyczny ukła sterowania ruchem zaworów, oarty o wykorzystanie wsółracującej ary krzywka oychacz, z jenym lub woma wałkami rozrząu, naęzanymi o wału korbowego, a umieszczonymi najczęściej w głowicy silnika salinowego rys. 2. wałek krzywkowy wylotowy wałek krzywkowy olotowy źwignia oychacza kanał olotowy świeca załonowa zawór wylotowy wtryskiwacz tłok zawór olotowy korbowó Rys. 2. Ukła rozrząu z wałkami umieszczonymi w głowicy silnika. Fig. 2. ICE timing gear system with camshafts locate in an engine hea W ramach konkretnych rozwiązań bęących rzemiotem baań roonuje się rzee wszystkim oracowanie kryteriów oraz algorytmów w ełni niezależnego sterowania ruchem zaworów olotowych (co w efekcie owinno skutkować oasowaniem masy świeżego łaunku orowazonego o cylinra o aktualnego obciążenie silnika), jak również ruchem zaworów wylotowych (kiey głównie chozi o zatrzymanie reszty salin w cylinrze, czyli realizację recyrkulacji wewnętrznej salin) rys

4 S. Postrzenik, Z. Żmuka Rys. 3. Schemat ukłau niezależnego sterowania ruchem zaworów Fig. 3. Scheme of ineenent steerage of engine valves motion Także jena z wcześniejszych roozycji autorów rojektu, olegająca na oracowaniu leszej organizacji samego obiegu silnika, orzez zastosowanie tzw. eko obiegu [4], [5]; okazała się szczególnie rzyatna rzy częściowym obciążeniu silnika salinowego, kiey to właśnie raca wymiany łaunku jest wzglęnie największa, a eko-obieg ozwala ją efektywnie zmniejszyć Rola i znaczenie sosobu regulacji silnika salinowego Zarówno raca wymiany łaunku, jak i raca tarcia w ukłazie rzyczyniają się o omnażania strat egzergii [6] towarzyszących rocesowi konwersji energii w ukłazie, a które wynikają oraz są ściśle owiązane ze stosowanymi systemami regulacji obciążenia silników salinowych. Powszechnie stosowane są wa systemy regulacji obciążenia silników [2], [4]: a) regulacja ilościowa, stosowana w silnikach z załonem iskrowym (ZI), kiey nastęuje oasowanie masy czynnika roboczego (suma masy orowazonego owietrza oraz masy awki aliwa) o aktualnego zaotrzebowania, co skutkuje zazwyczaj oowienim oziomem ciśnienia 1 w cylinrze o jego naełnieniu - ilustracją tego jest rys. 4. max,1 max,2 Obieg silnika ZI; regulacja ilościowa racy cyklu: ławienie na oływie: min,1 > min,2 wtey masa czynnika: m o,1 > m o,2 aje w konsekwencji: max,1 > max,2 oraz L 0,1 > L 0,2, M 0,1 > M 0,2, moc: N 0,1 > N 0,2 rzy n 0 = iem (+) L 0,1 (-) (+) L 0,2 (-) ot min,1 min,2 V k V s V 0 V Rys. 4. Stosowanie regulacji ilościowej silników salinowych (ZI) Fig. 4. Effects of quantitative control of internal combustion engine (SI) 298

5 Basic Proceures of Ineenent Internal Combustion Engine Valves Steerage b) regulacja jakościowa, stosowana w silnikach z załonem samoczynnym (ZS) rys. 5, której cechą charakterystyczną silnika jest to, że stosunek namiaru tlenu λ, a tym samym skła stechiometryczny (jakość) mieszanki alnej rzygotowanej o rocesu salania, zmieniają się stosownie o aktualnego obciążenia silnika, a masa orowazonego owietrza ozostaje w rzybliżeniu na niezmienionym oziomie, natomiast wielkość masy awki aliwa jest ostosowywana o aktualnego obciążenia silnika, co w konsekwencji skutkuje zmianą stosunku namiaru owietrza (tlenu) λ oraz skłau mieszanki alnej rzygotowanej o rocesu salania, onato na skutek tego rzy obciążeniach częściowych (aż o racy na biegu jałowym) rzez silnik w każym cyklu rzetłaczana jest znacznie namiarowa ilość owietrza (które nie uczestniczy aktywnie w rocesie salania), a jeynie rzyczynia się o znacznego wzrostu wzglęnej racy wymiany łaunku, co tłumaczy schemat na rys. 5. max,1 max,2 Obieg silnika ZS; regulacja jakościowa racy cyklu: masa czynnika: m o,1 m o,2, (Δm,1-2) na oływie: min,1 min,2, λ = var bo masa awek aliwa: m,1 > m,2, aje w konsekwencji: max,1 > max,2 oraz L 0,1 > L 0,2, M 0,1 > M 0,2, moc: N0,1 > N 0,2 rzy n 0 =iem (+) L 0,1 (-) (+) L0,2 (-) ot min,1 min,2 V k V s Rys. 5. Stosowanie regulacji jakościowej silników salinowych (ZS) Fig. 5. Effects of qualitative control of internal combustion engine (CI) 2. Wływ obciążenia silnika na straty związane z wymianą łaunku 2.1. Czynniki wływające na wielkość racy wymiany łaunku Realizacja rocesu wymiany łaunku silnika salinowego wiąże się bezośrenio z koniecznością okonania naotykanych oorów rzeływu, a więc z otrzebą wykonania oowieniej racy wymiany łaunku L w w ramach każego cyklu. Wielkość racy wymiany łaunku L w wykonanej w ramach każego cyklu wynosi: Lw = Lna + Lwy, Lna < 0, Lwy < 0, Lw < 0, (7) gzie: L na raca naełniania cylinra świeżym łaunkiem, L wy raca związana z wyływem rouktów salania (salin) z cylinra silnika. Usytuowanie oorów rzeływu na roze wymiany łaunku okazano na rys. 6. Skłaowe wielkości racy wymiany łaunku można efektywnie oszacować (rys. 6) jako: L Δ V, L Δ V, a wtey : L ( Δ + Δ ) V, (8) gzie: na s wy Δ - śreni saek ciśnienia o stronie oływowej o cylinra, Δ w - śreni saek ciśnienia o stronie wyływowej z cylinra. w s Praca wymiany łaunku rzyjmuje wartości ujemne (L w < 0) i rzyczynia się o omniejszenia wielkości racy wewnętrznej L i wykonywanej rzez czynnik roboczy. Na saek ciśnienia Δ o stronie naełniania cylinrów skłaają się: V 0 V w w s 299

6 S. Postrzenik, Z. Żmuka gzie: Δ fil Δ rz Δ za - saek ciśnienia na filtrze owietrza, - saek ciśnienia na rzeustnicy, Δ = Δ + Δ + Δ, (9) fil - saek ciśnienia w obrębie kolektora i zaworów oływowych. rz za Δ fil Δ rz Δ kat Δ tłu Δza Δ zaw ot ot filtr owietrza rzeustnica cyl konwertor katalityczny tłumik salin Δ = Δ fil + Δ rz + Δ za Δ w = Δ zaw + Δ kat + Δ tłu Rys. 6. Zasanicze elementy ukłau wymiany łaunku silnika salinowego (ZI) Fig. 6. Main resistance elements of IC engine charge exchange system (SI) Konwertory katalityczne, instalowane w ukłaach wylotowych salin silnika, usytuowane są (rys. 6) szeregowo omięzy silnikiem a tłumikiem hałasu, stanowią więc oatkowy oór rzeływu na roze salin z silnika oraz bezośrenio oziaływają na racę wymiany łaunku silnika salinowego, gyż na saek ciśnienia Δ w skłaają się: Δ = Δ + Δ + Δ, (10) gzie: Δ zaw w zaw - saek ciśnienia w obrębie zaworów wyływowych i kolektora, Δ kat -saek ciśnienia w obrębie konwertora katalitycznego salin, Δ tlu - saek ciśnienia w obrębie tłumika wylotowego salin. Ostatecznie jenak, aby efektywnie osiągnąć zmniejszenie racy wymiany łaunku L w, należy zabać o ograniczenie oorów rzeływu o stronie naełniania ( Δ ) świeżym łaunkiem, jak również o stronie wyływu ( Δ w ) salin silnikowych, których suma: Δ w = Δ + Δw (11) Zaganienie rozwiązano najierw na roze rozważań teoretycznych (moele uroszczone). Nastęnie oracowano ujęcie (w oarciu o ane, onoszące się o ukłaów rzeczywistych) okazane na rys. 7, z którego można oczytać wartości wzglęnej racy wymiany łaunku (L wł /L i ) w zależności o wzglęnego obciążenia silnika (L i /L i,n ), rzy rękości obrotowej n& o wału korbowego silnika salinowego, co otwierzono w [7]. Zgonie z oczekiwaniami z obliczeń wynika, że wraz ze zmniejszaniem obciążenia silnika wzglęna raca wymiany łaunku (L wł. /L i ) znacząco wzrasta, aż o około 40 % rzy najniższych obciążeniach, wzrost rękości obrotowej n& o silnika owouje wzrost racy wymiany łaunku. Uzyskano w ten sosób otwierzenie ostawionej tezy, że jenym z istotnych sosobów orawy efektywności racy silników, rzy ich częściowych obciążeniach, jest otrzeba zmniejszenia realizowanej racy wymiany łaunku, co jest możliwe o osiągnięcia orzez niezależne sterowanie ruchem zaworów olotowych oraz wylotowych. kat tlu 300

7 Basic Proceures of Ineenent Internal Combustion Engine Valves Steerage wzglęna raca wymiany łaunku (Lwł/Li) 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 n o = 1000 obr/min n o = 4000 obr/min n o = 5000 obr/min n o = 2000 obr/min n o = 3000 obr/min 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 wzglęna raca (L i /L i,n ) cyklu obiegu Rys. 7. Wływ obciążenia silnika na wzglęną racę wymiany łaunku cyklu Fig. 7. Influence of combustion engine loa on the charge exchange relative work Konsekwencją niezależnego sterowania ruchem zaworów jest możliwość likwiacja rzeustnicy w ukłazie zasilania. W rzyaku regulacji jakościowej (ZS) rzy obciążeniach częściowych ławienie na oływie nie wystęuje, lecz rzez silnik rzetłaczana jest znacznie namiarowa ilość owietrza, która rzyczynia się o znacznego wzrostu wzglęnej racy wymiany łaunku Wybrane możliwości wykorzystania sterowania zaworami (obiegi moelowe) W klasycznym rozwiązaniu systemu sterowania ruchem zaworów (rys. 2) zawór olotowy zostaje otwarty jeszcze rze osiągnięciem rzez tłok (GZP), a zamknięty już o minięciu (DZP), co zilustrowano za omocą schematu okazanego na rys. 8. Stosując klasyczny system sterowania zaworami realizuje się tzw. klasyczny roces wymiany łaunku; w efekcie zauważalne jest wsółotwarcie obu zaworów (rys. 8). h max wznios zaworów 0 zawór wylotowy zawór olotowy Ukła klasyczny ruchu zaworów kąt α obrotu wału ciśnienie w cylinrze 0 zawór wylotowy: w o otwarcie, w z zamknięcie zawór olotowy: o otwarcie, z zamknięcie 0 w z Δ w Δ w-ła Δ Ukła klasyczny wymiany łaunku w cylinrze L w-ła V s Δ w-ła z w 0 obj. cyl. V DZP GZP DZP GZP GZP V s = V DZP V GZP DZP Rys. 8. Klasyczny ruch zaworów oraz wymiana łaunku silnika salinowego Fig. 8. Classical motion of engine valves an shae of engine charge exchange Sytuacja taka niewiele się zmienia wraz z obciążeniem silnika; za naełnienie cylinra oowiezialne jest głównie ustawienie rzeustnicy (rys. 6), która jest jenocześnie źrółem strat. Cechą charakterystyczną klasycznego rozwiązania systemu sterowania ruchem zaworów jest 301

8 S. Postrzenik, Z. Żmuka to, że ole ętli wymiany łaunku (rys. 8) jest znacznych rozmiarów (szczególnie rzy niższych obciążeniach silnika, obserwuje się wzrost Δ ), a tym samym wraz ze zmniejszaniem obciążenia silnika wzglęna raca wymiany łaunku (L wł. /L i ) musi znacząco wzrastać. Skutkuje to w efekcie sakiem srawności energetycznej silnika. Dla obniżenia wartości wzglęnej racy wymiany łaunku (L wł. /L i ) zaroonować można kilka rozwiązań wariantowych w oniesieniu o zaganienia sterowania zaworami olotowymi, w tym: a) ukła z wcześniejszym zamknięciem zaworu olotowego, b) ukła z oóźnionym zamknięciem zaworu olotowego, c) ukła z oóźnionym otwarciem zaworu olotowego. Ilustracją zaganienia są oniższe schematy, okazane na rys. 9, a otyczące ukłau z wcześniejszym zamknięciem zaworu olotowego. h max wznios zaworów 0 zawór wylotowy zawór olotowy System z wczesnym zamknięciem zaworu olotowego kąt α obrotu wału ciśnienie w cylinrze 0 zawór wylotowy: w o otwarcie, w z zamknięcie zawór olotowy: o otwarcie, z zamknięcie 0 w z Δ Δ w-ła z Δ w Ukła z wczesnym zamknięciem zaworu olotowego L w-ła < (V s Δ w-ła ) kl w 0 obj. cyl. V DZP GZP DZP GZP GZP V s = V DZP V GZP Rys. 9. Sterowanie ukłau system z wcześniejszym zamknięciem zaworu olotowego Fig. 9. Valve control system with early closing of inlet valve DZP Istotne uwarunkowania wynikają także z otrzeby otymalnego oboru tzw. stonia wewnętrznej recyrkulacji salin. Na tej ostawie można zaroonować także kilka rozwiązań wariantowych, otyczących zaganienia sterowania zaworami wylotowymi, w tym: α) ukła z wcześniejszym zamknięciem zaworu wylotowego, β) ukła z oóźnionym zamknięciem zaworu wylotowego. Barzo interesujące bęzie owiązanie, możliwych o utworzenia rozwiązań wariantowych, w oniesieniu o sterowania zaworami olotowymi (a., b., c.), z rozwiązaniami wariantowymi otyczącymi zaganienia sterowania zaworami wylotowymi (α., β.). Wszystkie te warianty bęą rzemiotem szczegółowej analizy, w ramach alszych baań. Zaganienie rogramowania ilości reszty salin ozostających w cylinrze z cyklu orzeniego (tzw. recyrkulacja wewnętrzna salin) zostało zilustrowane na rys. 10. Istotny wływ wywiera tutaj wartość aktualnego obciążenie silnika oraz zastosowany system regulacji obciążenia, charakteryzowany w unkcie 1.2. tego oisu. W rzyaku klasycznej regulacji ławieniowej można zaobserwować (rys. 10), że wraz ze zmniejszającym się obciążeniem silnika (a tym samym zwiększonym ławieniem na ssaniu) ciśnienie w cylinrze obniża się jeszcze w czasie wsółotwarcia zaworów, co owouje, że saliny zostają częściowo zawracane soza jeszcze otwartego zaworu wylotowego o wnętrza cylinra, co skutkuje systematycznym wzrostem wzglęnej ilości reszty salin r s. Jest to niekorzystne la rawiłowej racy silnika, gyż ochozi o zbyt częstego wyaania załonów. Otymalizacja w tym zakresie owinna olegać na zrealizowaniu nastęujących ocji: w zakresie biegu luzem: wymagane są niższe wartości reszty salin r s, ze wzglęu na otrzebę zagwarantowania ewności załonu oraz zaewnienie równomiernego (stabilnego) biegu silnika, 302

9 Basic Proceures of Ineenent Internal Combustion Engine Valves Steerage wzglęna ilość reszty salin r s 0,4 0,2 0,0 regulacja rzeustnicą (klasyczna, ławieniowa) f m s r s = ma + m s krzywa otymalna (mieszanki homogeniczne) N N max bieg luzem częściowe obciążenie wzglęne silnika ełne Rys. 10. Wływ obciążenia silnika na ilość reszty salin w cylinrze. Fig. 10. Influence of engine loa on the mass of resiual gases in a cyliner w zakresie obciążeń częściowych: za srawą stoniowo zmniejszanego ławienia na ssaniu nastęuje zwiększanie stonia naełnienia cylinra, a tym samym saliny resztkowe w cylinrze są leiej tolerowane. Dzięki temu zniwelowaniu (obniżeniu) ulegają iki temeraturowe w czasie salania, co ociąga za sobą ograniczenie emisji tlenków azotu NO x, a onato zmniejszeniu ulega strumień cieła (straty cieła) o ścianek cylinra; natomiast alsze korzyści związane są ze zmniejszeniem racy wymiany łaunku (wzrost srawności) oraz wzrostem stonia naełnienia, w zakresie ełnych obciążeń: wymagane są możliwie niskie wartości wzglęnej ilości r s reszty salin ozostałych w cylinrze, co wynika z wysokiego zaotrzebowania tlenu o salenia większej ilości ostarczanego aliwa. Algorytmu służący o sterowania ruchem zaworów olotowych jak również wylotowych, za omocą rozwiązania okazanego na rys. 3, należy tak oracować, aby możliwie efektywnie rzyczyniał się o ograniczenia ławienia świeżego łaunku na oływie o silnika, a także otymalnego sterowania ilością reszty salin (rys. 10), co ma szczególne znaczenie w obszarach racy silnika salinowego znacznie oalonych o stanów nominalnych. Generalnie więc, oracowane warianty roonowanych algorytmów sterowania zaworami, bęą rzemiotem szczegółowych baań, rowazonych w ramach alszych etaów rac. Jeną z wielu możliwości zmniejszenia racy wymiany łaunku jest wykorzystanie obiegu Millera (Atkinsona), który ierwotnie został zaroonowany o regulacji osiąganych arametrów, oczas eksloatacji ołaowanych silników salinowych (lotniczych). Efekt charakteryzujący się mniejszym stosunkiem komresji izentroowej, w stosunku o stosunku eksansji rouktów salania (tyowy zabieg w obiegu Atkinsona), uzyskać można stosując system z oóźnionym zamknięciem zaworu olotowego, co zilustrowano na rys. 11. Realizacja koncecji okazanej na rys. 11 wymaga zastosowania niezależnego sterowania ruchem zaworów (rys. 3). Rozwiązanie to, chociaż na obecnym etaie obejmuje tylko sterowanie zaworem olotowym [7], zostało już wrożone o eksloatacji rzez motoryzacyjny koncern jaoński (Toyota, moel Prius). Algorytmu sterowania ruchem zaworów olotowych jak również wylotowych za omocą rozwiązania okazanego na rys. 2, należy tak oracować o wzglęem sterowalności, aby możliwie efektywnie rzyczyniał się o ograniczenia ławienia świeżego łaunku na oływie o 303

10 S. Postrzenik, Z. Żmuka silnika, a także otymalnego sterowania ilością reszty salin (rys. 10), co ma szczególne znaczenie w obszarach racy silnika salinowego znacznie oalonych o stanów nominalnych. Słusznie więc, że jako rozwiązanie najbarziej efektywne roonuje się niezależne sterowanie ruchem zaworów olotowych (oasowanie masy świeżego łaunku orowazonego o cylinra), jak również ruchem zaworów wylotowych (chozi o zatrzymanie reszty salin w cylinrze, czyli realizację recyrkulacji wewnętrznej salin). h max wznios zaworów 0 zawór wylotowy System z oóźnionym zamknięciem zaworu olotowego zawór olotowy kąt α obrotu wału ciśnienie (w cylinrze) 0 zawór wylotowy: w o otwarcie, w z zamknięcie zawór olotowy: o otwarcie, z zamknięcie 0 w z Δ Δ w-ła z Δ w Ukła z oóźnionym zamknięciem zaworu olotowego L w-ła < (V s Δ w-ła ) kl w 0 obj. cyl. V DZP GZP DZP GZP GZP V s = V DZP V GZP Rys. 11. Realizacja obiegu Millera (Atkinsona) - sterowanie zaworem olotowym Fig. 11. Performance of the Miller (Atkinson) cycle using inlet valve steerage DZP Dla komletu oracowanych wariantów sterowania zaworami, muszą zostać obrane oowienie algorytmy sterowania ruchem zaworów. W tym asekcie całość baań owinna się koncentrować na nastęujących zaganieniach: 1. Analiza rocesów konwersji energii w ukłazie tłokowego silnika salinowego; wływ obciążenia silnika na jakość rocesów energetycznych. 2. Określenie strat związanych z wymianą łaunku oraz czynniki wływające na wielkość racy wymiany łaunku w silnikach ZI, a także silników ZS. 3. Baania ekserymentalne na racą wymiany łaunku oraz jakością rocesów konwersji energii silnika salinowego. 4. Postawowe kryteria, znaczenie sosobu regulacji silnika salinowego oraz analiza możliwości ograniczenia strat w rocesie wymiany łaunku. 5. Dobór roceur oraz baanie możliwości w zakresie wykorzystania algorytmów niezależnego sterowania zaworami silnika salinowego, które obejmują: roceury niezależnego sterowania zaworami olotowymi roceury niezależnego sterowania zaworami wylotowymi 6. Sterowanie resztą salin oraz łączne ujęcie roceur niezależnego sterowania zaworami silnika. Ustalenie kryteriów oraz oracowanie i obór roceur niezależnego sterowania zaworami silnika salinowego jest w tym rzyaku srawą zasaniczą i ważną, latego też bęzie głównym rzemiotem rac w ramach alszych baań. Ostatecznie, zarówno raca wymiany łaunku jak i raca tarcia w ukłazie rzyczyniają się o omnażania strat egzergii towarzyszących rocesowi konwersji energii w ukłazie, czego należy unikać. Literatura [1] Ferguson, C.R., Internal Combustion Engines, Alie Thermo-Sciences. John Wiley, [2] Kowalewicz, A., Tworzenie mieszanki i salanie w silnikach z załonem iskrowym, WKiŁ, Warszawa [3] Merkisz, J., Ekologiczne asekty stosowania silników salinowych, Poznań

11 Basic Proceures of Ineenent Internal Combustion Engine Valves Steerage [4] Postrzenik, S., Żmuka, Z., Avance Thermoynamic Cycle of Internal Eco-Engine, 28 th International Symosium on Combustion Engines, Einburgh, Scotlan [5] Postrzenik, S., Termoynamiczny obieg eko-silnika salinowego, XVII Zjaz Termoynamików, Kraków-Zakoane [6] Szargut, J., Petela, R., Egzergia, WNT, Warszawa [7] Shell Lexikon, Verbrennungsmotor, Verlegerbeilage er ATZ MTZ, Verlag Vieweg, Wiesbaen

12