Andrzej Ambrozik. Podstawy teorii tłokowych silników spalinowych

Andrzej Ambrozik Podstawy teorii tłokowych silników salinowych Warszawa 01

Politechnika Warszawska Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych Kierunek studiów "Edukacja techniczno informatyczna" 0-54 Warszawa, ul. Narbutta 84, tel 849 43 07, 34 83 48 ibmvr.simr.w.edu.l/sin/, e-mail: sto@simr.w.edu.l Oiniodawca: rof. nzw. dr hab. InŜ. Feliks RAWSKI Projekt okładki: Norbert SKUMIAŁ, Stefan TOMASZEK Projekt układu graficznego tekstu: Grzegorz LINKIEWICZ Skład tekstu: Magdalena BONAROWSKA Publikacja bezłatna, rzeznaczona dla studentów kierunku studiów "Edukacja techniczno-informatyczna". Coyright 01 Politechnika Warszawska Utwór w całości ani we fragmentach nie moŝe być owielany ani rozowszechniany za omocą urządzeń elektronicznych, mechanicznych, koiujących, nagrywających i innych bez isemnej zgody osiadacza raw autorskich. ISBN 83-89703-88- Druk i orawa: STUDIO MULTIGRAF s. z o.o., ul. Ołowiana 10, 85-461 Bydgoszcz

Sis treści Wykaz waŝniejszych oznaczeń... 5 Wstę... 11 1. Wrowadzenie... 13 1.1. Klasyfikacja tłokowych silników salinowych...14 1.. Podstawowe wskaźniki i warunki racy silników samochodowych...17. Termodynamiczne cykle racy tłokowych silników salinowych... 3.1. Wiadomości ogólne...4.. Uogólniony cykl racy czterosuwowego tłokowego silnika salinowego...8.3. Cykl z dorowadzeniem cieła rzy stałej objętości (cykl Otta)...35.4. Cykl z dorowadzeniem cieła rzy stałym ciśnieniu (cykl Diesla)...36.5. Cykl z mieszanym sosobem dorowadzenia cieła (cykl Sabathe a)...37.6. Teoretyczne cykle racy doładowanych tłokowych silników salinowych...38.7. Podstawy dwusuwowych silników salinowych...44 3. Czynnik roboczy i jego właściwości... 51 3.1. Wiadomości wstęne...5 3.. Krótkie informacje o strukturze i składzie aliw...53 3.3. Czynnik roboczy i jego właściwości...58 4. Porównawcze cykle racy tłokowych silników salinowych... 69 4.1. Wiadomości wstęne...70

4.. Uogólniony model matematyczny rocesów w cylindrze czterosuwowego silnika salinowego...7 4.3. Wymiana czynnika roboczego w czterosuwowym silniku salinowym...75 4.4. Średnie ciśnienie w cylindrze odczas rocesu naełniania oraz stoień naełniania cylindra...90 4.5. Proces sręŝania...96 4.6. Proces dorowadzania cieła w orównawczym cyklu racy silnika...104 4.7. Proces rozręŝania czynnika roboczego w cylindrze...106 4.8. Obliczanie temeratury salin w układzie wylotowym silnika 108 5. Rzeczywiste cykle racy tłokowych silników salinowych... 111 5.1. Wiadomości wstęne...11 5.. Proces wymiany czynnika roboczego...116 5.3. Mieszanka alna w tłokowych silnikach salinowych...1 5.4. Proces samozałonu i salania...138 5.5. Analiza rzeczywistego wykresu indykatorowego silnika o załonie wymuszonym...145 5.6. Analiza rzeczywistego wykresu indykatorowego silnika o załonie samoczynnym...147 5.7. Tworzenie toksycznych składników salin w czasie rocesu salania...154 5.8. Zewnętrzny bilans cielny silnika...157 6. Tendencje rozwojowe silników o załonie samoczynnym... 163 Literatura... 167 Strona 4

Wykaz waŝniejszych oznaczeń Wielkości fizyczne a wsółczynnik temeraturowy cieła właściwego gazu ółdoskona łego, J/(kmol K) b wsółczynnik temeraturowy cieła właściwego gazu ółdoskona łego, J/(kmol K ) B szerokość czoła strugi rozylonego aliwa, m c cieło właściwe, J/(kg K), liczba cylindrów silnika, c cieło właściwe rzy stałym ciśnieniu, J/(kg K) c v cieło właściwe rzy stałej objętości, J/(kg K) c molowe cieło właściwe, J/(kmol K) c molowe cieło właściwe rzy stałym ciśnieniu, J/(kmol K) c v molowe cieło właściwe rzy stałej objętości, J/(kmol K) c cylinder, C stęŝenie, kmol/m 3 d v średnia objętościowa średnica kroli rozylonego aliwa, µm d s średnia owierzchniowa średnica kroli rozylonego aliwa, µm D średnica cylindra m, układ dolotowy silnika DZP dolne zwrotne ołoŝenie tłoka, E energia całkowita, J E a energia aktywacji, J f ole rzekroju rzelotowego m, rędkość rozgałęzienia łańcuchowej reakcji chemicznej, F ole owierzchni, m FAME estry metylowe kwasów tłuszczowych oleju rzeakowego,

g rzyśieszenie ziemskie m/s, jednostkowe zuŝycie aliwa z inde ksem dolnym e lub i kg/(kwh), szybkość zrywania łańcucha rozga łęzionej łańcuchowej reakcji chemicznej g c dawka aliwa rzyadająca na cykl racy silnika, kg/cykl G h godzinowe zuŝycie aliwa rzez silnik, kg/h GZP górne zwrotne ołoŝenie tłoka, h entalia właściwa, J/kg h i wznos iglicy rozylacza, m H entalia, J K stała równowagi reakcji chemicznej, l raca rzyadająca na jednostkę ilości substancji, J/kg L raca, J L str długość strugi rozylonego aliwa (zasięg strugi aliwa), m L k długość korbowodu, m m masa kg, rząd reakcji chemicznej m µ masa molowa, kg/kmol M ilość kmoli substancji, kmol M o ilość kmoli owietrza koniecznego do całkowitego i zuełnego salenia jednostki aliwa, kmol/kg MS mechanizmy silnika, m& natęŝenie rzeływu, kg/s n rędkość obrotowa, obr/min, wykładnik rzemiany olitroowej n a stęŝenie cząstek aktywnych chemicznie, N moc, W OWK obroty wału korbowego silnika, ciśnienie, Pa Strona 6

q cieło odniesione do jednostki ilości substancji, J/kg Q ilość cieła, J Q 1 ilość cieła dorowadzonego do cyklu racy silnika, J/cykl Q ilość cieła odrowadzonego z cyklu racy silnika, J/cykl r udział objętościowy, m 3 /m 3 R indywidualna stała gazowa J/(kg K), romień wykorbienia wału korbowego m, relacja rozmyta R uniwersalna stała gazowa, J/(kmol K) s entroia właściwa, J/(kg K) S entroia J/K, skok tłoka, m St liczba Stantona, t czas, s T temeratura, K u rędkość m/s, właściwa energia wewnętrzna, J/kg U energia wewnętrzna, J w ch względna ilość cieła odrowadzonego do ścianek ograniczających rzestrzeń salania, J/m w 0 oczątkowa rędkość owstawania zarodków reakcji chemicznej, 1/s W układ wylotowy silnika W u wartość oałowa aliwa, J/kg v objętość właściwa, m 3 /kg V objętość chwilowa, m 3 x względna ilość wydzielonego cieła odczas rocesu salania, x& szybkość wydzielania względnej ilości cieła odczas rocesu sa lania, 1/s z udział molowy, kmol/kmol Strona 7

α kąt obrotu wału korbowego silnika, O.W.K. α g wsółczynnik rzejmowania cieła, W/(m K) β całkowity wsółczynnik zmian molowych kmol/kmol, kąt między osią cylindra i korbowodem, rad β 0 chemiczny wsółczynnik zmian molowych, kmol/kmol γ wsółczynnik resztek salin kmol/kmol, kąt rozwarcia stoŝka strugi rozylonego aliwa, rad δ stoień kolejnego rocesu eksansji, wielkość szczeliny rzekroju rzelotowego na zaworze m, grubość strefy łomienia m, względna mała ilość wymienianego cieła s względna ilość racy suwów omowych ε stoień komresji η srawność η v stoień naełnienia cylindra silnika κ wykładnik izentroy λ stosunek nadmiaru owietrza (tlenu) λ stoień wzrostu ciśnienia odczas rocesu salania µ gęstość molowa kmol/m 3 wsółczynnik wydatku rzeływu µ (x) funkcja rzynaleŝności zbioru rozmytego ( µ zf z ) efektywny rzekrój rzelotowy na zaworze, m ξ ostę reakcji chemicznej rocesu salania, ρ gęstość kg/m 3, wstęny stoień eksansji odczas rocesu salania, σ względna zmiana objętości cylindra, τ liczba suwów cyklu racy silnika, Strona 8

ϕ stoień wyełnienia orównawczego wykresu indykatorowego rzez rzeczywisty wykres indykatorowy, ψ funkcja rzeływu gazu, Ω sumaryczna charakterystyka rozylania aliwa, 1/µm Indeksy dotyczące 1 dorowadzone, wyrowadzone, a koniec rocesu naełniania, oczątek rocesu sręŝania, b oczątek rocesu wylotu salin z cylindra, c cykl, koniec rocesu komresji odowiadający ołoŝeniu tłoka w GZP, d dolot, e efektywny, h godzinowe, i indykowany, k kolejny numer, korbowód, kol kolektor, kr krytyczny, ks komora salania, koniec rocesu salania, kwt koniec wtrysku aliwa, l laminarny, max wielkość maksymalna, min wielkość minimalna, Ms mechanizmy silnika, n normalna, o otoczenie, całkowity, Strona 9

od otwarcie zaworu dolotowego, ow otwarcie zaworu wylotowego, ciśnienie, al aliwo, s oczątek salania, wt oczątek wtrysku aliwa, r resztki salin, s skokowa, sc ścianka, s suwy omowe, sal saliny, sr sręŝanie, str struga rozylonego aliwa, straty, śr wartość średnia, t teoretyczny, w wylot, wt wtrysk aliwa, ww wyrzedzenie wtrysku aliwa, x względna ilość wydzielonego cieła, z koniec umownego końca rocesu salania, zd zamknięcie zaworu dolotowego, zw zamknięcie zaworu wylotowego. Strona 10

Wstę Niniejsze materiały zostały oracowane w ramach realizacji Programu Rozwojowego Politechniki Warszawskiej wsółfinansowanego rzez Unię Euroejską w ramach Euroejskiego Funduszu Sołecznego - PROGRAM OPERACYJNY KAPITAŁ LUDZKI. Przeznaczone są dla studentów kierunku EDUKACJA TECHNICZNO INFORMACYJNA na Wydziale Samochodów i Maszyn Roboczych Politechniki Warszawskiej. Swoim zakresem obejmują zagadnienia określone w rogramie studiów dla rzedmiotu ogólnego t. Pojazdy samochodowe oisanym w sylabusie oracowanym dla tego rzedmiotu. Zawartość merytoryczna rogramu rzedmiotu sełnia wymagania określone w standardach kształcenia Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa WyŜszego dla kierunku Edukacja techniczno-informatyczna. Celem oracowania tych materiałów było zaoznanie studentów kierunku,,edukacja techniczno-informatyczna Wydziału Samochodów i Maszyn Roboczych Politechniki Warszawskiej z odstawami teorii tłokowych silników salinowych. Znajomość odstaw oraz obecnego stanu wiedzy w dziedzinie tłokowych silników salinowych jak równieŝ istniejących obecnie tendencji ich rozwoju, konieczna jest do stosowania racjonalnych metod ich konstruowania i budowy oraz uŝytkowania w ojazdach samochodowych i maszynach budowlanych oraz drogowych bądź teŝ stosowanych jako źródła naędu róŝnego rodzaju stacjonarnych urządzeń technicznych. Ze względu na zaleŝność wszystkich ekonomiczno-energetycznych i ekologicznych wskaźników racy silnika salinowego od rzebiegu roce-sów termodynamicznych i termochemicznych w jego cylindrach, główną wagę w oracowanych materiałach ostanowiono rzywiązać do omówienia termodynamicznych cykli racy tłokowych silników salinowych, z uwzględnieniem właściwości czynnika roboczego realizującego te cykle. DuŜo miejsca w materiałach oświęcono omówieniu rocesów wymiany czynnika roboczego w cylindrze i rocesom dorowadzenia aliwa do cylindra oraz rocesom tworzenia mieszanki alnej i szkodliwych składników salin. Rozdział cieła wydzielanego odczas rocesu salania rzedstawiono w ostaci zewnętrznego bilansu cieła. Oracowanie zakończono wskazaniem na istniejące obecnie tendencje rozwojowe silników o załonie samoczynnym coraz częściej wyosaŝonych w zasobnikowe układy aliwowe Common Rail oraz wieloetaowy wtrysk aliwa.

Strona 1

1 Wrowadzenie

ROZDZIAŁ 1 1.1 Klasyfikacja tłokowych silników salinowych Silniki salinowe klasyfikujemy [7] według róŝnych cech i własności: 1. Według rzeznaczenia silniki dzielimy na: stacjonarne: stosowane w elektrowniach, stosowane do naędu om rzeznaczonych do rzetłaczania cieczy i gazów, stosowane w gosodarstwach wiejskich it. transortowe rzeznaczone do naędu samochodów, traktorów, samolotów, okrętów i statków, lokomotyw i innych rzemieszczających się maszyn.. Według rodzaju wykorzystywanego aliwa rozróŝnia się silniki racujące na: aliwie lekkim (benzynowe i zasilane naftą), cięŝkim aliwem ciekłym (mazut, olej solarowy, olej naędowy), aliwie gazowym (gaz generatorowy, gaz naturalny i inne gazy), aliwie mieszanym, gdzie odstawowym aliwem jest gaz, zaś dla rozruchu silnika wykorzystuje się aliwo ciekłe, róŝnym aliwie (benzyna, nafta, olej naędowy i inne), są to tzw. silniki wieloaliwowe. 3. Według sosobu rzemiany energii cielnej na mechaniczną silniki dzielimy na: tłokowe silniki wewnętrznego salania i silniki z tłokami wirującymi, w których rocesy reakcji chemicznej i rzemiany energii cielnej na racę mechaniczną nastęuje w rzestrzeni wewnątrz cylindra (w rzestrzeni nadtłokowej), Strona 14

WPROWADZENIE silniki z zewnętrznym dorowadzaniem cieła. Do takich silników naleŝą: turbiny gazowe, w których rocesy reakcji chemicznych zachodzą w oddzielnej komorze salania i gdzie tworzący się czynnik roboczy (rodukty salania) naływa na łoatki turbiny i wykonuje racę, silniki w których cieło do ciągle wirującego w zamkniętej objętości czynnika roboczego dorowadza się z wymiennika cieła i tę energię cielną wykorzystuje się w cylindrze rozręŝającym (silniki arowe racujące według cyklu Reankine a i silniki racujące według cyklu Stirlinga), silniki kombinowane, w których salanie aliwa realizowane jest w silniku tłokowym będącym generatorem gazu. Praca mechaniczna częściowo wykorzystana jest w cylindrze silnika tłokowego i częściowo na łoatkach turbiny gazowej (generatory gazu ze swobodnymi tłokami, silniki tłokowoturbinowe it.). 4. Według sosobu tworzenia mieszanki alnej silniki dzielimy na: z zewnętrznym sosobem tworzenia mieszanki alnej, w których mieszanka tworzona jest w gaźniku, w mieszalniku silnika zasilanego gazem oraz silniki z wtryskiem aliwa do rzewodu dolotowego silnika, z wewnętrznym sosobem tworzenia mieszanki alnej. W silnikach tych w czasie rocesu naełniania cylindra doływa do niego tylko owietrze a nastęnie w końcu rocesu sręŝania dorowadzone jest do niego aliwo i mieszanka alna tworzy się wewnątrz cylindra. Są to silniki o załonie samoczynnym. Do gruy tych silników zalicza się takŝe silniki o załonie iskrowym i wtryskiem aliwa do cylindra oraz silniki gazowe z dorowadzeniem aliwa ciekłego lub gazu do cylindra na oczątku rocesu sręŝania, z ładunkiem uwarstwionym, w których w róŝnych strefach komory salania tworzy się mieszanka alna o róŝnym składzie. 5. Według załonu mieszanki alnej rozróŝniamy silniki: z załonem mieszanki alnej od iskry elektrycznej (z załonem iskrowym), Strona 15

ROZDZIAŁ 1 z samozałonem mieszanki alnej (silniki o załonie samoczynnym, często zwane silnikami diesla), z komorą wstęną i załonem łomieniowym, w których mieszanka alna zaalana jest iskrą w komorze salania o niewielkiej objętości, zaś dalszy roces salania zachodzi juŝ w komorze odstawowej, z załonem gazowego aliwa od niewielkiej orcji oleju naędowego ulegającej samozałonowi od rocesu sręŝania. 6. Według sosobu realizacji roboczego cyklu racy silnika dzielimy je na: czterosuwowe bez doładowania (wolnossące dolot owietrza z atmosfery) i z doładowaniem (dolot owietrza do cylindra od ciśnieniem), dwusuwowe bez doładowania i z doładowaniem. Do doładowania stosuje się sręŝarkę naędzaną turbiną wykorzystującą energię salin (doładowanie turbosręŝarką) lub srę- Ŝarką naędzaną od silnika i sręŝarek z których jedna naędzania jest turbiną gazową zaś druga silnikiem. 7. Według sosobu regulacji mocy związanego ze zmianą obciąŝenia silnika: z regulacją jakościową, w których rzy stałej ilości dorowadzonego do cylindra owietrza zwiększamy lub zmniejszamy ilość dorowadzanego aliwa zmieniając w ten sosób skład mieszanki alnej, z ilościową regulacją mocy, w której skład mieszanki alnej ozostaje stały a zmieniana jest tylko jej ilość, z regulacją mieszaną zmiana ilości i jakości mieszanki alnej. 8. Według konstrukcji rozróŝnia się silniki: Silniki tłokowe, które z kolei dzielimy ze względu na: - usytuowanie cylindrów dzielimy na ionowe rzędowe, oziome rzędowe, silniki V, gwiaździste i z rzeciwnie usytuowanymi cylindrami, Strona 16

WPROWADZENIE - usytuowanie tłoków dzielimy na jednotłokowe (w kaŝdym cylindrze jest jeden tłok i jedna rzestrzeń robocza), z rzeciwnie oruszającymi się tłokami (rzestrzeń robocza usytuowana między dwoma tłokami oruszającymi się w jednym cylindrze, ale w rzeciwne strony), odwójnego działania (o obu stronach tłoka znajdują się rzestrzenie robocze), Silniki z wirującymi tłokami, które mogą być trzech tyów: - tłok (wirnik) wykonuje lanetarny ruch w korusie, - odczas obrotu wirnika między nim i ściankami korusu tworzy się komora o zmiennej objętości, w której realizowany jest cykl racy, - korus wykonuje ruch lanetarny, zaś tłok jest nieruchomy. 9. Według sosobu chłodzenia rozróŝnia się silniki: z chłodzeniem cieczowym, z chłodzeniem owietrzem. W samochodach stosuje się tłokowe silniki salinowe z załonem od iskry (gaźnikowe, gazowe, z wtryskiem aliwa) i z samozałonem od sręŝania (Diesle) oraz silniki z tłokami wirującymi. 1.. Podstawowe wskaźniki i warunki racy silników samochodowych Podstawowymi wskaźnikami charakteryzującymi jakość silników wewnętrznego salania są: 1. Niezawodność wszystkich elementów konstrukcji silnika.. Stoień doskonałości rzemiany energii cielnej na energię mechaniczną. Wielkość ta oceniana jest srawnością lub jednost- Strona 17

ROZDZIAŁ 1 kowym zuŝyciem aliwa, które rzedstawia ilość aliwa (w jednostkach masy lub objętości) zuŝywanego w jednostce czasu i rzyadające na jednostkę mocy silnika. 3. Moc silnika odniesiona do jednostki objętości roboczej cylindra lub do jednostki łaszczyzny rzekroju tłoka (moc jednostkowa). 4. Masa silnika rzyadająca na jednostkę mocy (masa jednostkowa) i jego wymiary gabarytowe. 5. Stoień toksyczności i zadymienia salin oraz oziom hałasu odczas racy silnika. 6. Prostota konstrukcji, łatwość obsługi i koszty wyrodukowania silnika, jego eksloatacji i naraw. 7. Niezawodność rozruchu silnika. 8. Persektywiczność konstrukcji umoŝliwiającej realizację jego modernizacji w celu dalszego jego wysilenia i orawy jego wskaźników zgodnie z tendencjami rozwojowymi techniki. Dla silników trakcyjnych waŝną ich własnością jest ich szybkie rzystosowanie do racy w zmiennych warunkach rędkościowo-obciąŝeniowych, które zaleŝą od warunków eksloatacji. Na rys. 1.1. rzedstawiono charakterystyki silników wewnętrznego salania o róŝnym rzeznaczeniu rzy ich racy w warunkach ustalonych. Strona 18

WPROWADZENIE Rysunek 1.1. Charakterystyki silników róŝnego rzeznaczenia: Ne moc efektywna silnika, n rędkość obrotowa wału korbowego silnika Tłokowy silnik salinowy moŝe okonywać obciąŝenie ocząwszy od określonego warunku charakteryzującego się minimalną ustaloną częstością obrotów wału korbowego n min. Jeśli organy sterujące dorowadzeniem mieszanki alnej lub wtryskiem aliwa ustawione są na maksimum, to zaczynając od wskazanej częstości obrotowej wału korbowego, największą moc rozwijaną rzez silnik rzedstawia krzywa 1. Taką zmianę mocy w zaleŝności od rędkości obrotowej wału korbowego nazywamy zewnętrzną charakterystyką rędkościową silnika. Maksymalna moc rozwijana rzez silnik jest w unkcie a, któremu odowiada rędkość obrotowa n N. Przy dalszym zwiększaniu rędkości obrotowej (linia rzerywana) ze względu na wiele rzyczyn nastęuje zmniejszenie mocy. Przy n = n max (maksymalna rędkość obrotowa biegu luzem rzy regulacji ustawionej na maksimum ilości mieszanki alnej lub maksymalną dawkę wtrysku) cała moc silnika zuŝywana jest na tarcie w mechanizmach silnika i na naęd osrzętu silnika. Praca silnika w tych warunkach jest niedouszczalna. Granicznym rędkościowym warunkiem racy silnika, rzy którym silnik racuje jeszcze według charakterystyki zewnętrznej jest unkt a 1 odowiadający rozwijaniu rzez silnik mocy nominalnej tj. Ne nom rzy n = n nom. Strona 19

ROZDZIAŁ 1 W zaleŝności od warunków racy odbiornika mocy, charakteryzującego obciąŝenie silnika krzywa 3, nie zawsze nastęuje rzecięcie się tej krzywej z zewnętrzną charakterystyką rędkościową gdzie N od = Ne max, oniewaŝ n enom n N. Linia charakteryzuje racę silnika rzy rawie stałej rędkości obrotowej wału korbowego (charakterystyka regulatorowa). Punkt b charakteryzuje racę silnika bez obciąŝenia. Praca silnika z zastosowaniem regulatora obrotów jest charakterystyczna dla stanowisk energetycznych jak równieŝ dla silników trakcyjnych. W tych rzyadkach ołoŝenie organów sterujących dorowadzaniem mieszanki alnej lub aliwa ulega zmianie w zaleŝności od zaotrzebowania rzez odbiornik mocy. Największe zwiększenie rędkości obrotowej wału korbowego silnika zaleŝy od tyu i zasady działania regulatora. Krzywa 3 charakteryzuje obciąŝenie silnika obciąŝonego naędem śruby (charakterystyka śrubowa). Przy obciąŝeniu silnika śrubą, rędkość obrotowa wału korbowego maleje ze zmniejszeniem ilości dorowadzanego aliwa lub mieszanki aliwowo-owietrznej. Zmiana mocy tych silników w funkcji rędkości obrotowej wału korbowego oisywana jest zaleŝnością Ne = Bn 3, gdzie B jest wsółczynnikiem roorcjonalności. Według charakterystyki śrubowej racują silniki lotnicze, okrętowe i inne. NaleŜy amiętać, Ŝe silniki stosowane do naędu ojazdów samochodowych racują w szerokim zakresie obciąŝeń i rędkości obrotowych wału korbowego. Charakterystyczne warunki eksloatacji samochodów cięŝarowych w warunkach miejskich rzy ich intensywnej jeździe rzedstawiono na rysunku 1.. Doświadczalnie stwierdzono dość ostre wahania rędkości jazdy V (krzywa 1) i rędkości obrotowej wału korbowego silnika (krzywa ), rzy czym rzez dłuŝszy czas silnik racował rzy około czterdziestorocentowym otwarciu rzeustnicy (krzywa 3). Z rzedstawionego owyŝej wykresu wynika, Ŝe właściwością eksloatacji silnika samochodowego jest częsta, a w niektórych rzyadkach dość ostra zmiana rędkościowych i obciąŝeniowych warunków jego racy. Zmianę mocy i rędkościowych warunków racy silnika samochodowego rzedstawia zakreskowany obszar na rys. 1.1, który ograniczony jest zewnętrzną charakterystyką rędkościową i gałęzią charakterystyki regulatorowej. Strona 0

WPROWADZENIE Rysunek 1.. Charakterystyczne warunki racy silnika samochodu cięŝarowego oruszającego się w mieście Strona 1

ROZDZIAŁ 1 Strona

Termodynamiczne cykle racy tłokowych silników salinowych

ROZDZIAŁ.1. Wiadomości ogólne Strona 4 Najbardziej charakterystyczną cechą tłokowego silnika salinowego niezaleŝnie od stosowanego mechanizmu tłokowo-korbowego zamieniającego osuwisty ruch tłoka na ruch obrotowy wału korbowego, jest cykliczna zmiana objętości rzestrzeni roboczej. Dlatego teŝ arametry stanu czynnika roboczego, w kaŝdym unkcie wykresów indykatorowych rzed-stawiających cykl racy silnika odnoszone są do ołoŝenia tłoka w cylindrze. W teorii tłokowych silników salinowych rozróŝnia się: cykle teoretyczne, cykle orównawcze i rzeczywiste cykle racy. Teoretyczny, wzorcowy cykl racy tłokowego silnika salinowego, rzedstawiony w układzie racy ν i cieła T s jest to cykl kołowy realizowany zgodnie z ruchem wskazówek zegara i składający się z quasi-statycznych, odwracalnych rzemian czynnika roboczego. Wszystkie rocesy termodynamiczne rzeczywistego cyklu racy silnika są rocesami nieodwracalnymi. Nieodwracalność rocesów zachodzących w cylindrze wolnossących i doładowanych silników salinowych owoduje na rzykład wymiana cieła między czynnikiem roboczym i ściankami ograniczającymi rzestrzeń cylindra. Nieodwracalność rocesów wymiany czynnika roboczego związana jest z istnieniem tarcia w strumieniach gazu na okonanie, którego tracona jest raca. Straty tarcia wystęują takŝe odczas rzeczywistego rocesu rozręŝania w turbinie i rocesu sręŝania w sręŝarce układu turbodoładowującego. WyŜej wskazana nieodwracalność rocesów owoduje zmniejszenie efektywności rzemiany dorowadzonego cieła na racę mechaniczną. Analiza efektywności cykli racy tłokowych silników salinowych dotyczy rozwiązania dwóch zadań: określenia, od jakich czynników zaleŝy srawność odwracalnego termodynamicznego cyklu i jak owinny rzebiegać te rocesy, aby jego srawność osiągała największe wartości rzy konkretnych warunkach ograniczających, wyznaczenia stonia nieodwracalności rocesów cyklu rzeczywistego i określenia, które rocesy naleŝy doskonalić w celu zmniejszenia nieodwracalnych strat i zwiększenia srawności.

TERMODYNAMICZNE CYKLE PRACY TŁOKOWYCH SILNIKÓW SPALINOWYCH Podstawowym wskaźnikiem oceniającym termodynamiczną efektywność odwracalnego cyklu racy silnika jest jego srawność teoretyczna: L t η t = lub Q1 l t η t = (1.1) q1 Pracę teoretyczną odwracalnego cyklu moŝna wyznaczyć całkując równanie ierwszej zasady termodynamiki dla zamkniętego cyklu racy: du + dq = dl (.) PoniewaŜ energia wewnętrzna U jest funkcją arametrów stanu, zatem du = 0. Tak, więc raca teoretycznego cyklu racy jest równowaŝna ciełu dorowadzonemu do czynnika roboczego w czasie cyklu, które jest równe róŝnicy cieła dorowadzonego do cyklu i cieła odrowadzonego z cyklu, tzn.: L t = Q1 Q lub lt q1 q = (.3) Podstawiając (1.3) do (1.1) otrzymuje się: η Q t = 1 lub Q1 η q t = 1 (.4) q1 Stoień doskonałości rzeczywistych nieodwracalnych cykli charakteryzuje srawność indykowana cyklu racy silnika: L i η i = lub Q1 l i η i = (.5) q1 gdzie: Li = Q1 Q zaś li = q1 q. Podstawiając te zaleŝności do wzoru (.5) stosowanego do obliczania srawności indykowanej otrzymuje się: η Q i = 1 lub Q1 η i q = 1 (.5a) q 1 Techniczno-ekonomiczne wskaźniki racy silnika określają nie tylko zu- Ŝycie aliwa, które zaleŝy nie tylko od srawności cyklu, ale takŝe od Strona 5

ROZDZIAŁ wymiarów gabarytowych i masy silnika. Jednym z istotnych technicznoekonomicznych wskaźników racy silnika jest średnie ciśnienie teoretyczne cyklu: L t t = lub Vs l t t = (.6) v s gdzie: Vs = Vmax Vmin, zaś v s jest średnią objętością właściwą czynnika roboczego w czasie cyklu racy silnika. Średnie ciśnienie teoretycznego cyklu racy silnika jest to takie umowne stałe ciśnie-nie, które działając na tłok w czasie jednego suwu wykona racę równą racy teoretycznego cyklu racy silnika. Średnie ciśnienie rzeczywistego cyklu racy silnika nazywamy średnim ciśnieniem indykowanym: L i i = lub Vs l i i = (.7) vs Podstawiając wielkości L t i l t wyznaczone z równań (.1) do zaleŝności (.6) rzyjmują one ostać: t Q η V 1 t = lub s t q η v 1 t = (.8) s Wartość jednostkowego cieła q1 zaleŝy od składu chemicznego aliwa i wartości jego cieła salania, sosobu tworzenia mieszanki alnej, doskonałości rocesu salania it. Teoretyczne cykle racy silników salinowych stwarzają moŝliwości orównywania rzeczywistych rzemian zachodzących w cylindrze silnika z rzemianami termodynamicznymi tworzącymi model rzeczywistego cyklu racy silnika. UmoŜliwiają one formułowanie wniosków dotyczących srawności teoretycznej, jednostkowego zuŝycia aliwa i średniego ciśnienia teoretycznego cyklu oraz maksymalnej wartości ciśnienia i temeratury cyklu, jak równieŝ stwarzają moŝliwości wyznaczania innych arametrów i wskaźników racy silnika, rzy załoŝonych wielkościach charakterystycznych. Teoretyczne cykle racy silników wewnętrznego salania sorządza się rzy nastęujących załoŝeniach: Strona 6

TERMODYNAMICZNE CYKLE PRACY TŁOKOWYCH SILNIKÓW SPALINOWYCH czynnikiem roboczym (termodynamicznym) jest gaz doskonały, ilość czynnika roboczego realizującego cykl racy jest stała i jednakowa we wszystkich tworzących go rzemianach, zaniedbuje się zmianę cieeł właściwych czynnika roboczego, lub teŝ uwzględnia się te zmiany w zaleŝności od temeratury i składu mieszaniny gazów, dorowadzenie cieła do czynnika roboczego realizowane jest, jako rzekazywanie cieła rzez gorące źródło cieła i moŝe zachodzi: izochorycznie, izobarycznie i izotermicznie lub za omocą ich kombinacji, roces wymiany czynnika roboczego zamienia się rocesem odwracalnym z odrowadzeniem cieła do zimnego źródła cieła, które moŝe zachodzić izochorycznie, izobarycznie lub izochoryczno-izobarycznie, rocesy sręŝania (komresji) i rozręŝania (eksansji) zachodzą adiabatycznie, rzemiany termodynamiczne cyklu racy silnika są odwracalne i zachodzą nie-skończenie wolno (quasi-statycznie), wobec czego rędkości czynnika roboczego są równe zeru i nie wystęują straty rzeływu, a cała jego ilość znajdująca się w rzestrzeni roboczej ozostaje w jednakowym stanie termodynamicznym. Warunki uzyskania największej racy dowolnego, kołowego cyklu racy silnika, które równocześnie są warunkami wysokiej srawności cielnej cyklu, rzedstawione są w od-ręcznikach akademickich dotyczących termodynamiki technicznej i tłokowych silników salinowych [3,4,5,6,7,8,10,11]. Teoretycznym cyklem racy silnika o największej srawności jest cykl Carnote a składający się z dwóch izentro (komresji i eksansji) oraz dwóch izoterm (dorowadzenie i odrowadzenie cieła). Cykl ten nie ma jednak zastosowania, jako teoretyczny cykl racy tłokowego silnika salinowego, oniewaŝ roces komresji, który łączyłby jednocześnie izotermy n.: rzy T=90 K i rzy T=900 K bez rzekroczenia wartości max jest niemoŝliwy do zrealizowania [,14]. Strona 7

ROZDZIAŁ.. Uogólniony cykl racy czterosuwowego tłokowego silnika salinowego Uogólniony teoretyczny cykl racy silnika rzedstawiony na rys..1. jest modelem, który zawiera w sobie niemalŝe wszystkie teoretyczne silnikowe cykle racy tłokowych silników wewnętrznego salania omawiane w teorii tłokowych silników salinowych. Strona 8 Rysunek.1. Uogólniony termodynamiczny cykl racy czterosuwowego tłokowego silnika salinowego we wsółrzędnych v i T s Przedstawiony na rys..1. wykres we wsółrzędnych - v i T - s rzedstawia ogólny rzyadek realizacji termodynamicznego cyklu racy czterosuwowego tłokowego silnika salinowego, realizowany rzez 1 kg czynnika roboczego. W cyklu tym roces komresji (linia ac) i eksansji (linia zb) zachodzi bez wymiany cieła z otoczeniem (dq=0). Cieło q 1 ' dorowadzane jest rzy nie-

TERMODYNAMICZNE CYKLE PRACY TŁOKOWYCH SILNIKÓW SPALINOWYCH zmiennej objętości, cieło q 1 '' dorowadzane jest rzy niezmiennym ciśnieniu, zaś cieło q 1 ''' dorowadzane jest izotermicznie, tzn. rzy niezmiennej temeraturze. Odrowadzane cieło z cyklu q jest sumą cieła q ' odrowadzonego rzy niezmiennej objętości i cieła q " odrowadzonego rzy niezmiennym ciśnieniu. Całkowita ilość cieła dorowadzonego do cyklu realizowanego rzez 1 kg czynnika roboczego (ładunku) wynosi: z 1 = q1' + q1'' + q1''' = cv(tz' Tc ) + c(tz'' Tz' ) RTz ln (.9) Vz'' q + Na rys..1. we wsółrzędnych T - s cieło to rzedstawia ole łaszczyzny a 'acz' z''zbb'. Ilość cieła odrowadzonego z cyklu wynosi q = q ' + q " = c (T T ) + c (T T ) (.10) v b d d Na wykresie T - s to wyrowadzone cieło rzedstawia ole łaszczyzny a 'adbb'. Srawność teoretyczna rozwaŝanego cyklu termodynamicznego (wzór.4) ma ostać: a V η t q c (T T ) + c (T T ) v b d d a = 1 = 1 (.11) q v 1 z cv(tz' T c) + c(tz'' Tz' ) + RTzln vz'' Wrowadźmy oznaczenia nastęujących wielkości bezwymiarowych: c κ = wykładnik izentroy (adiabaty), c v V a ε s = efektywny stoień komresji, Vc V V = ε = b d geometryczny stoień komresji, Vc Vc Strona 9

ROZDZIAŁ = λ z' z'' = stoień wzrostu ciśnienia odczas izochorycznego c c dorowadzania cieła, V V = ρ z'' z'' = stoień eksansji odczas izobarycznego doro- Vz' Vc wadzania cieła, V z ρ T = stoień eksansji odczas izotermicznego dorowadzania Vz'' cieła, V V b δ = stoień kolejnego rocesu eksansji, V z V d b ρ ' = = stoień wstęnej komresji odczas izobarycznego Va Va odrowadzania cieła. Dla tak rzyjętych oznaczeń rawdziwy jest związek: ε = ε ρ = ρ s ' Temeratury wchodzące do wzoru (.11) wyrazić moŝna za omocą temeratury oczątku rocesu komresji Ta oraz wrowadzony owyŝej oznaczeń. W tym celu naleŝy wykorzystać równania oszczególnych rocesów składowych cyklu racy rzedstawionego na rys..1. Przemiana a c: ρ T δ T V a κ 1 a c κ 1 c = T V stąd Va Tc = Ta V c κ 1 czyli: T c = T a ε κ 1 s Przemiana c z' : T z' = Tc z' c Strona 30

TERMODYNAMICZNE CYKLE PRACY TŁOKOWYCH SILNIKÓW SPALINOWYCH czyli: a zatem T T z' z' = T λ = T c κ 1 aεs λ Przemiana z' z' ' : V z'' T z' ' = Tz' = Vz' Tρ z' czyli: T z'' = T κ 1 aεs λ ρ Przemiana z'' z : T z = T z'' czyli: T z = T a λρ κ 1 εs Przemiana z b: T b V z = Tz V b κ 1 T = δ z κ 1 czyli: T b Ta λ = δ κ 1 ρεs κ 1 Przemiana d a: T Vd = Ta V d = a Tρ' a gdzie: ρ '= V V d a Podstawiając wyŝej wyznaczone zaleŝności temeratur w charakterystycznych unktach cyklu od wartości do wzoru (.11) i dokonując rzekształceń otrzymano: Strona 31

ROZDZIAŁ η t = 1 ε κ 1 s ( ρ' 1) ρ' { λ [ κρ ( κ 1)( 1+ ρ lnρ )] 1} λ κ 1 ρεs κ 1 δ + κ T (.1) Ze względu na coraz szersze stosowanie wieloetaowego wtrysku aliwa we wsółczesnych tłokowych silnikach salinowych, naleŝy stwierdzić, Ŝe celem takiej realizacji wtrysku aliwa jest orawa wskaźników racy silnika w róŝnych warunkach eksloatacji, a rzede wszystkim zmniejszenie emisji szkodliwych składników i hałasu emitowanego rzez silniki. Paliwo dorowadzone do cylindra zarówno w ostaci rzed - jak i owtrysków owoduje, Ŝe zarówno roces komresji czynnika roboczego jak i roces jego eksansji realizowane są rzy istnieniu źródeł i uustów energii cielnej. Pod ojęciem źródła cieła rozumie się tu energię wydzieloną odczas reakcji egzotermicznych aliwa dorowadzonego do cylindra, natomiast uust energii cielnej rozumiany jest, jako ilość cieła odbierana od czynnika roboczego i zuŝywana na odgrzewanie a nastęnie odarowanie kroel rozylonego aliwa i rzegrzanie ar aliwa. Istnienie źródeł i uustów energii cielnej odczas rocesów komresji i eksansji owoduje, Ŝe rocesy te nie zachodzą adiabatycznie, a są to rzemiany olitroowe zachodzące rzy stałych średnich wartościach wykładnika olitroy, które moŝna wyznaczyć w oarciu o rzeczywisty wykres indykatorowy. NaleŜy tu jeszcze zaznaczyć, Ŝe źródłem cieła odczas rocesu eksansji jest roces doalania niesalonych w sosób ełny reagentów biorących udział w reakcjach utleniania zachodzących odczas rocesu salania. Stosując taką samą metodę wyrowadzania wzoru na srawność teoretyczną, jaką zastosowano rzy wyrowadzaniu wzoru (.1) oraz zakładając, Ŝe roces komresji i eksansji zachodzą olitroowo o wykładnikach: komresji o wykładniku n 1 i eksansji o wykładniku n, rzy czym n 1 n, otrzymuje się wzór na srawność teoretyczną w ostaci: η t = 1 n1 1 εs λ ρ δ ε ( κ ) 1ρ' κ { λ [ κρ ( κ 1)( 1+ ρ lnρ )] 1} n 1 n1 1 s + T (.13) Ze wzoru (.13) wynika, Ŝe: η = η t t ( κ,ε, λ,δ,ρ,ρ,ρ, n, n ) s T 1 Strona 3

TERMODYNAMICZNE CYKLE PRACY TŁOKOWYCH SILNIKÓW SPALINOWYCH Dla adiabatycznego rocesu komresji i eksansji do wzoru (.13) naleŝy odstawić = n κ. n1 = Ze wzorów (.1) i (.13) wynika, Ŝe teoretyczna srawność uogólnionego cyklu racy silnika zaleŝy od arametrów konstrukcyjnych silnika wyraŝonych wielkością ε, właściwości aliwa zasilającego silnik i wływających na wartość wykładnika izentroy κ oraz organizacji realizacji cyklu określonej wielkościami: λ,ρ,ρ,δ, ρ'. Wzór ten jest rawdziwy dla wszystkich stosowanych w teorii silników salinowych cykli racy. RozwaŜmy cykl racy silnika rzy dorowadzaniu jak i odrowadzaniu cieła realizowanych w sosób mieszany to znaczy odczas rzemiany izochorycznej i izobarycznej. Ilustrację graficzną takiego cyklu rzedstawia rys... Dla cyklu racy rzedstawionego na rys... wielkość ρ T = 1. Ponadto ε ρ s z zaleŝności ε = εs ρ' = ρρtδ wynika, Ŝe =. Podstawiając δ ρ' wskazane wielkości do wzoru (.1) otrzymuje się: T i η = 1 t ρ λρ ' ρ ε κ 1 s ( ρ' 1) ρ' [ λ 1+ κλ ( ρ 1) ] κ 1 + κ (.14) Średnie ciśnienie teoretycznego cyklu racy silnika, zgodnie z definicją jest: L t t = lub Vs l t t = (.15) vs gdzie: L t = tvs i t tvs l =. Uwzględniając, Ŝe: κ 1 q1 = cvtaε s [ λ 1+ κλ ( ρ 1)] (.16) oraz: Strona 33

ROZDZIAŁ V s = V V d c V = V c( V d c 1) to znaczy: V s Va = V c (ε sρ' 1) = (ε sρ' 1) (.17) ε s Rysunek.. Termodynamiczny cykl racy tłokowego czterosuwowego silnika salinowego we wsółrzędnych v i T s rzy izochorycznoizobarycznym dorowadzaniu i odrowadzaniu cieła Podstawiając do wzoru (.15) wartość lt = ηtq1 oraz zaleŝności (.16) i (.17) otrzymano: κ 1 Taε s εs t = cv [ λ 1+ κλ ( ρ 1)] va ( ρ' εs 1) η t (.18) PoniewaŜ c v R = κ 1 zatem ostatecznie otrzymuje się: i RT a = v a a Strona 34

TERMODYNAMICZNE CYKLE PRACY TŁOKOWYCH SILNIKÓW SPALINOWYCH ε κ a s t = [ λ 1+ κλ ( ρ 1)] κ 1 ρ' εs 1 η t (.19) W teorii silników salinowych wyróŝnia się trzy szczególne rzyadki, które wynikają z uogólnionego, teoretycznego cyklu racy, tj. cykl Otto, cykl Diesla i cykl z mieszanym dorowadzeniem cieła tzw. cykl Sabathe a..3. Cykl z dorowadzeniem cieła rzy stałej objętości tzw. cykl Otto Cykl racy silnika realizowany rzez 1 kg czynnika roboczego z izochorycznym dorowadzeniem i odrowadzeniem cieła we wsółrzędnych v i T s rzedstawia rys..3. Rysunek.3. Cykl racy tłokowego silnika salinowego z dorowadzeniem cieła rzy V = idem: 1 i osie wykorbienia rzy ołoŝeniu tłoka w GZP i DZP Strona 35

ROZDZIAŁ Cykl ten róŝni się od cyklu rzedstawionego na rys..1. tym, Ŝe brak w nim rocesów oznaczonych rzemianami z 'z'', z '' z i da. Dlatego dla tego cyklu mamy: ρ 1, ρ 1, ε s = ε i ρ '= 1. Podstawiając te = T = wartości do wzorów (.1) i (.18) otrzymuje się nastęujące wzory: 1 η t = 1 (.0) κ 1 ε κ 1 ε ε 1 κ a t = ( λ 1) η t (.1).4. Cykl z dorowadzeniem cieła rzy stałym ciśnieniu tzw. cykl Diesla Cykl ten rzedstawiony na rys..4. często stosowany jest, jako model cyklu racy wolnobieŝnych silników o załonie samoczynnym. Strona 36 Rysunek.4. Cykl racy tłokowego silnika salinowego z dorowadzeniem cieła rzy = idem

TERMODYNAMICZNE CYKLE PRACY TŁOKOWYCH SILNIKÓW SPALINOWYCH W cyklu tym cieło dorowadzone jest rzy = idem, zaś cieło odrowadzone dokonywane jest rzy V = idem. Dla tego cyklu mamy: λ =1, ρ T = 1, ε s = ε i ρ '= 1. Podstawiając te wartości do wzorów (.1) i (.18) otrzymuje się: η t κ 1 ρ 1 = 1 (.) κ 1 ε κ( ρ 1) κ 1 ε ε 1 κ a t = κ( ρ 1) η t (.3).5. Cykl z mieszanym dorowadzeniem cieła tzw. cykl Sabathe a Rysunek.5. Cykl tłokowego silnika salinowego z mieszanym dorowadzeniem cieła PowyŜszy teoretyczny cykl realizowany rzez 1 kg czynnika roboczego we wsółrzędnych v i T s, w których część cieła Q 1 ' dorowa- Strona 37

ROZDZIAŁ dzone jest rzy stałej objętości, a część Q 1 rzy stałym ciśnieniu, zaś cieło odrowadzone Q odrowadzane jest rzy stałej objętości rzedstawiono na rys..5. Cykl ten róŝni się od cyklu uogólnionego tym, Ŝe cieło Q odrowadzane jest rzy stałej objętości. Brak jest w nim odrowadzania cieła Q rzy stałym ciśnieniu. Dla tego cyklu ρ T = 1, ε s = ε i ρ '= 1. Podstawiając te wartości do wzorów (.1) i (.18) otrzymuje się: η t κ 1 λ ρ 1 = 1 (.4) κ 1 ε λ 1+ κλ ( ρ 1) κ 1 ε ε 1 κ a t = [ λ 1+ κλ ( ρ 1)] η t (.5) Analizę wływu róŝnych czynników na srawność i średnie ciśnienie teoretyczne cyklu racy silnika salinowego dla cykli rzedstawionych w odrozdziałach (.3;.4;.5) moŝna znaleźć w racy [3]..6. Teoretyczne cykle racy doładowanych tłokowych silników salinowych W odróŝnieniu od uogólnionego cyklu racy rzedstawionego na rys..1. rozatrzono rzyadek, kiedy cieło odrowadzane jest rzy niezmiennym ciśnieniu (linia fl na rys..6.). Zakreskowana łaszczyzna bfla wykresu we wsółrzędnych v i T s rzedstawia dodatkowo otrzymaną racę rzy tej samej ilości dorowadzonego cieła. Ta dodatkowa raca uzyskana jest w wyniku znacznego zwiększenia objętości odczas rocesu rozręŝania (eksansji). Na skutek tego ciśnienie t ' odniesione do objętości V f - V c (V max -V min ) będzie istotnie mniejsze w orównanie z tym ciśnieniem, które moŝna otrzymać w cyklu z mieszanym dorowadzeniem i odrowadzeniem cieła rzy V=idem. Strona 38

TERMODYNAMICZNE CYKLE PRACY TŁOKOWYCH SILNIKÓW SPALINOWYCH Rysunek.6. Cykl z mieszanym dorowadzeniem cieła, wydłuŝonym rozręŝeniem i zmiennym ciśnieniu gazów rzed turbiną oraz odrowadzeniem cieła rzy = idem W rzeczywiście realizowanym cyklu racy silnika do odbiornika rzekazywana jest nie cała ilość energii mechanicznej. Część tej energii tracona jest na tarcie we wsółracujących i oruszających się elementach oraz na naęd mechanizmów wsomagających. W rzyadku cyklu z wydłu- Ŝonym rocesem eksansji, na skutek zwiększenia objętości, istotnie wzrastają straty na tarcie, które nie są komensowane rzez dodatkowo otrzymaną racę. DuŜy efekt w rzeczywistym silniku salinowym, w którym w czasie realizacji cyklu nastęuje zmiana czynnika roboczego, osiąga się jeśli roces wydłuŝonej eksansji zachodzi na łoatkach turbiny gazowej (linia bf ) ołączonej ze sręŝarką. Zassane sręŝarką owietrze atmosferyczne sręŝane jest do ciśnienia a > o (linia la ) i dorowadzane do cylindra silnika salinowego. PoniewaŜ wówczas ciśnienie oczątkowe w cylindrze a będzie wyŝsze od ciśnienia atmosferycznego, to jednostkowa raca w cylindrze będzie większa (atrz równanie.19). Przy takim sosobie realizacji rocesu straty mechaniczne w turbosręŝarce będą istotnie mniejsze niŝ w silniku z wydłuŝoną eksansją i wynikowa srawność będzie większa. Strona 39

ROZDZIAŁ Sosób zwiększania racy jednostkowej drogą wstęnego sręŝania owietrza (lub mieszanki aliwowo-owietrznej) w sręŝarce i dorowadzeniu go do silnika nazywamy doładowaniem. Rozatrywany cykl jest szczególnym rzyadkiem cyklu silnika doładowanego. SręŜarkę naędzać moŝna takŝe za omocą wału korbowego (naęd mechaniczny), ale wtedy część mocy rozwijanej rzez silnik zuŝywana jest na wykonanie racy sręŝania w srę- Ŝarce. Bardziej celowe jest wykorzystanie do tego celu (w ierwszej kolejności) turbodoładowania, odczas którego wykorzystuje się energię salin wydalanych z cylindra. Cykl racy silnika z doładowaniem są szeroko wykorzystywane w silnikach o załonie samoczynnym. Rozatrzmy cykl realizowany w turbinie gazowej, ze wstęną komresją czynnika roboczego w sręŝarce (linia la ). Vl Oznaczmy stoień komresji w sręŝarce ε sr =, wtedy całkowity stoień komresji Va jest: W rozatrywanym cyklu: V V V l a l ε o = εsr ε = = (.6) Va Vc Vc T f T = Tl ρ ' = ( δ') z κ 1 T = a λ ( ε ρ o ( ε ρ ρ') κ 1 ) κ 1 gdzie: Vf δ ' = V Z εo ρ' = ρ PoniewaŜ: T Tl = ε a κ 1 sr to: Strona 40

TERMODYNAMICZNE CYKLE PRACY TŁOKOWYCH SILNIKÓW SPALINOWYCH T f T = ε a κ 1 sr Ta λρ ρ ' = ( ε o ( ε ρ ρ') κ 1 ) κ 1 skąd: κ ) κ 1 ( ρ ρ ρ ' = λ lub λ = 1 ( ρ') ' ρ κ ρ Podstawiając λ = 1 ' ρ ε = ε ε, otrzymano: o sr κ do równania (.14) i uwzględniając, Ŝe η t κ ρ' 1 = 1 (.7) κ 1 ε λ 1+ κ λ ( ρ 1) o Zasadne jest, aby odnieść jednostkową racę cyklu z turbodoładowaniem do objętości cylindra silnika (rys..6.). W tym rzyadku t oblicza się według wzoru (.5). RozwaŜmy cykl z wydłuŝoną eksansją oraz z dorowadzeniem cieła rzy V = idem i ρ = 1. Taki cykl jest modelem termodynamicznym turbodoładowanego silnika z załonem iskrowym. W tym rzyadku: η t κ ρ' 1 = 1 (.8) κ 1 ε λ 1 o Jeśli w takim cyklu cieło dorowadzone jest rzy = idem (cykl Braytona), to λ = 1 i ρ = ρ'. Wtedy z równania (.7) wynika, Ŝe: 1 η = (.9) t 1 κ 1 εo Według takiego cyklu racują turbiny gazowe, w których salanie aliwa w komorze salania zachodzi rzy stałym ciśnieniu. Na rys..7. okazano cykl racy silnika z turbodoładowaniem, w którym ciśnienie rzed turbiną (linia ar ) jest równe ciśnieniu końca rocesu sręŝania w sręŝarce. Cieło Q ' w realizowanym cyklu silnika odrowadzone jest rzy stałej objętości (roces ba ). Cieło to dorowadzone jest do turbiny gazowej rzy =idem (linia ar ). Strona 41

ROZDZIAŁ Rysunek.7. Cykl z mieszanym dorowadzeniem cieła, z wydłuŝoną eksansją i stałym ciśnieniem gazów rzed turbiną oraz odrowadzeniem cieła rzy = idem Wykorzystując wzór na srawność cielną dowolnego cyklu silnikowego mamy: Q' = Q 1(1 η ) Dla cyklu acz'zb z mieszanym dorowadzeniem cieła jest: Q' t κ 1 λ ρ 1 = Q1 (.30) κ 1 ε λ 1+ κ λ (ρ 1) Srawność cyklu arfl wyznaczoną według wzoru (.9) określa zaleŝność: η 1 sr = 1 κ 1 εsr Q = 1 Q' Strona 4

TERMODYNAMICZNE CYKLE PRACY TŁOKOWYCH SILNIKÓW SPALINOWYCH Q' skąd: Q = Q' (1 ηsr ) = κ 1 ε Podstawiając do tej zaleŝności w miejsce równania (.30), otrzymano: sr Q ' wartość obliczoną według Q Q 1 κ 1 λ ρ 1 = (.31) κ 1 ε λ 1+ κ λ (ρ 1) o Wówczas srawność cielna całego cyklu racy jest: η t κ Q 1 λ ρ 1 = 1 = 1 (.3) κ 1 Q ε λ 1+ κ λ (ρ 1) 1 o Średnie ciśnienie teoretycznego cyklu, odniesione do objętości cylindra silnika określa zaleŝność: [ λ 1+ κ λ ( ρ 1 ] ηt κ a εo t = ) κ 1 ε 1 (3.33) Z orównania wzorów (.3) i (.4) wynika, Ŝe jeśli ε = ε o, to srawność rozatrywanego cyklu i cyklu z mieszanym dorowadzeniem cieła są sobie równe. Porównanie η t dwóch rozatrywanych cykli silników z turbodoładowaniem okazuje, Ŝe wykorzystanie cieła w cyklu, w którym w turbinie gazowej wykonywana jest cała raca wydłuŝonego rocesu eksansji charakteryzowana krzywą,,bf (rys..6.) będzie większa niŝ w drugim cyklu (rys..7). Jednak realizowanie takiego cyklu z doładowaniem ulsacyjnym związane jest z koniecznością organizacji rocesu wydalania salin z cylindra i dorowadzeniem ich do turbiny gazowej, co komlikuje konstrukcję silnika. W rzyadku kiedy wstęne sręŝanie w sręŝarce rowadzi do ciśnienia za sręŝarką, które jest więcej niŝ dwukrotnie wyŝsze od ciśnienia atmosferycznego, to naleŝy realizować chłodzenie owietrza rzy stałym ciśnieniu. W wyniku takiego chłodzenia nastęuje zwiększenie gęstości ładunku naływającego do cylindra i zmniejszenie racy sręŝania oraz obserwuje się znaczny wzrost ciśnienia t rzy nieznacznym zmniejszeniu srawności tego cyklu. Strona 43

ROZDZIAŁ.7. Podstawy dwusuwowych silników salinowych Strona 44 Zasadniczą róŝnicą omiędzy silnikami dwu - i czterosuwowymi jest ilość suwów tłoka rzyadająca na realizację jednego ełnego cyklu racy. Cykl racy kaŝdego tłokowego silnika salinowego obejmuje: roces ssania (eksansji), sręŝania (komresji), racy i wydechu salin. W silniku dwusuwowym nie są jednak realizowane cztery ełne suwy, tak jak to jest w silnikach czterosuwowych. W silniku dwusuwowym wyróŝnia się: 1. Suw sręŝania (komresji). Podczas tego suwu tłok orusza się w kierunku GZP. Sa-liny z orzedniego cyklu racy wylatują z cylindra rzez kanały wylotowe. Są one wyychane rzez wlatującą kanałami rzełukującymi świeŝą mieszankę alną. Nastęnie okna rzełukujące i wylotowe lub zawory zamykają się, a ozostająca w cy-lindrze mieszanka alna ulega sręŝaniu i załonowi (rys..8a).. Suw racy. Gwałtownie rozręŝający się czynnik roboczy owstający w wyniku salania mieszanki alnej owoduje ruch tłoka w kierunku DZP (rys..8b) wytwarzając moment obrotowy wału korbowego. Najierw otwiera się kanał wylotowy, rzez który zaczynają wyływać saliny i o ewnym czasie zostaje odsłonięty kanał rzełukujący, rzez który do cylindra naływa orcja świeŝej mieszanki alnej. Naływ tej mieszanki wsomaga usuwanie salin z cylindra (rys..8c). Brak oddzielnych suwów ssania i wydechu wymusza stosowanie w tych silnikach omy rzełukującej. W niektórych silnikach samochodowych, motocyklowych i jeszcze mniejszych, w których istotnym jest warunek rostoty i niewielkich wymiarów gabarytowych, rolę omy rzełukującej ełni rzestrzeń cylindra znajdująca się od denkiem tłoka wraz ze skrzynią korbową, tak jak to okazano na rysunku na rys..8. Tłok oruszający się w kierunku GZP, odsłania znajdujące się w cylindrze okna dolotowe i zasysa rzez nie świeŝy ładunek do cylindra. Taki rozrząd nazywamy rozrządem tłokowo-szczelinowym. NaleŜy zaznaczyć, Ŝe takie rozwiązanie konstrukcyjne osiada istotne wady. Smarowanie silnika odbywa się orzez dozowanie oleju smarującego do

TERMODYNAMICZNE CYKLE PRACY TŁOKOWYCH SILNIKÓW SPALINOWYCH układu dolotowego lub do aliwa zasilającego silnik. Zastosowany do smarowania silnika olej ulega częściowemu salaniu w cylindrze tworząc nagar i częściowo rzedostaje się do układu wydechowego owodując wzrost stęŝenia węglowodorów w salinach. Ilość czynnika roboczego dorowadzanego do cylindra ogranicza wielkość skoku i średnicy cylindra. Jakość rocesu wymiany ładunku w cylindrze w duŝym stoniu zaleŝy od zjawisk falowych zachodzących w układach wymiany czynnika roboczego i w samym cylindrze. Aby w duŝych silnikach o załonie samoczynnym zastosować oddzielne układy smarowania, często buduje się je jako tzw. silniki wodzikowe w których rolę omy rzełukującej sełnia objętość cylindra od denkiem tłoka, która jest oddzielona od skrzyni korbowej. Jednak takie rozwiązanie owoduje zwiększenie wysokości silnika. Zamiennie w układzie dolotowym stosuje się często dodatkową, mechanicznie naędzaną omę rzełukującą, n. sręŝarkę Rootsa, atrz rys..9. Rysunek.8. Zasada działania silnika dwusuwowego o ZI i wstęnym sręŝaniu ładunku w skrzy-ni korbowej: a) tłok sręŝa mieszankę w cylindrze i jednocześnie zasysa świeŝą mieszankę do skrzyni korbowej, b) rozręŝający się czynnik roboczy owoduje ruch tłoka w kierunku DZP i nastęuje wstęne sręŝanie mieszanki alnej w skrzyni korbowej, c) świeŝa mieszanka al-na wsomaga usuwanie salin z cylindra W silnikach wykorzystujących zewnętrzną omę rzełukującą nie wyróŝnia się okien i kanałów rzełukujących, a jedynie okna i kanały dolotowe i wylotowe. Strona 45

ROZDZIAŁ Rysunek.9. Zasada działania silnika dwusuwowego o załonie samoczynnym ze wstęnym sręŝaniem ładunku za omocą sręŝarki Rootsa: a) tłok sręŝa owietrze w cylindrze, zaś oma rzełukująca wstęnie sręŝa owietrze rzed oknami dolotowymi, b) wtrysk aliwa i oczątek suwu racy, c) koniec suwu racy, otwarcie grzybkowego zaworu wylotowego, d) naływ świeŝego ładunku do cylindra wsomagający usuwanie salin z cylindra.7.1. Cykl racy dwusuwowego silnika salinowego Cykl racy tego silnika odobnie jak silników czterosuwowych definiuje się jako komleks okresowo owtarzających się rocesów termodynamicznych realizowanych w celu rzemiany chemicznej energii aliwa na racę mechaniczną. Teoretyczny cykl racy tłokowego silnika salinowego, to kołowy cykl realizowany zgodnie z ruchem wskazówek zegara i składający się z quasi-stacjonarnych, odwracalnych rzemian czynnika roboczego (termodynamicznego). UmoŜliwia on orównanie Strona 46

TERMODYNAMICZNE CYKLE PRACY TŁOKOWYCH SILNIKÓW SPALINOWYCH rzeczywistych rzemian zachodzących w silniku z rzemianami termodynamicznymi tworzącymi model rzeczywistego cyklu racy silnika [3]. Na rys..10 rzedstawiono teoretyczny i rzeczywisty cykl racy silnika dwusuwowego. Rysunek.10. Cykl racy tłokowego silnika dwusuwowego: a) teoretyczny cykl racy z miesza-nym dorowadzaniem cieła, b) rzeczywisty cykl racy silnika dwusuwowego o załonie iskrowym Cykl racy silnika dwusuwowego realizowany jest w czasie jednego obrotu wału korbowego. Na rys..10 rzedstawiono teoretyczny i rzeczywisty cykl racy silnika dwusuwowego z mieszanym dorowadzeniem cieła, uwzględniający roces wymiany czynnika roboczego w cylindrze. Proces wymiany czynnika roboczego zachodzi odczas ruchu tłoka w obliŝu DZP w krótkim, krótszym niŝ w silniku czterosuwowym czasie (10 150 OWK w silniku dwusuwowym wobec 400 450 OWK w silniku czterosuwowym). Proces naełniania cylindra zachodzi na skutek róŝnicy ciśnień w układzie dolotowym i w cylindrze. W silnikach dwusuwowych stosuje się ojęcie objętości traconej V t, która odowiada części suwu tłoka odczas której zachodzi wymiana czynnika roboczego. SręŜanie świeŝego ładunku nastęuje odczas zmiany efektywnej objętości cylindra V e, która jest równa V e = V s - V t. Stosunek V t = ψ nazywamy wsółczynnikiem strat ob- str V s Strona 47

ROZDZIAŁ jętości skokowej cylindra wynikających z realizacji rocesu wymiany czynnika roboczego. Wielkość tego wsółczynnika zaleŝy od sosobu rzełukania cylindra i wynosi ψ str = 0,1 0,5. Ilustrację graficzną objętości V s i V e rzedstawiono na rys..11. Rysunek.11. Geometryczna objętość skokowa cylindra Vs i efektywna (rzeczywista) objętość skokowa cylindra Ve w dwusuwowym silniku salinowym z rozrządem tłokowo-szczelinowym W silniku dwusuwowym rozróŝnia się geometryczny stoień sręŝania VS + Vc εg = oraz efektywny (rzeczywisty) stoień sręŝania V ε e c e =. Vc c V + V Strata części objętości skokowej cylindra na roces wymiany gazów owoduje, Ŝe moc silnika rzy tej samej dawce aliwa rzyadającej na cykl racy silnika i rzy tej samej rędkości obrotowej wału korbowego nie jest dwukrotnie, a jedynie 1,5 1,7 raza większa, niŝ silnika czterosuwowego. Teoretyczny cykl racy silnika dwusuwowego rzedstawiony na rys..10a moŝna analizować według metody rzedstawionej w unkcie. niniejszej racy. W oarciu o rzedstawioną w unkcie. metodologię, moŝna wyrowadzić zaleŝności analityczne ozwalające obliczyć teoretyczną srawność oraz średnie teoretyczne ciśnienie cyklu. Wielkości te w odobny sosób moŝna wyznaczyć dla cykli racy silnika dwusuwowego rzedstawionych na rys..1. Strona 48