ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(92)/2013 Piotr Szczęsny 1, Konrad Suprowicz 2 OCENA ROZWOJU SILNIKÓW SPALINOWYCH W OPARCIU O ANALIZĘ WSKAŹNIKÓW PORÓWNAWCZYCH 1. Wprowadzenie Konstrukcje silników spalinowych podlegają ciągłemu rozwojowi. Maksymalne wartości mocy i momentu limitowane są granicznymi obciążeniami cieplnymi oraz mechanicznymi. Wymusza to stosowanie coraz wytrzymalszych, odporniejszych na wysokie temperatury materiałów konstrukcyjnych. Największy wpływ na osiągi mają modyfikacje układów dolotowego, rozrządu oraz zasilania. Obecnie wzrost mocy i momentu uzyskuje się głównie poprzez zwiększenie średniego ciśnienia efektywnego. W pracy przedstawiono analizę statystyczną wskaźników porównawczych oraz parametrów konstrukcyjnych, reprezentatywnych grup silników pojazdów osobowych, produkowanych w kolejnych dziesięcioleciach w latach 1950-2011. Przygotowano bazę danych niezbędnych parametrów ponad 200 silników zarówno o ZI jak i ZS. Do analiz wykorzystano zestaw 8 zdefiniowanych wskaźników porównawczych i konstrukcyjnych, istotnych ze względu na obciążenia cieplne i mechaniczne porównywanych silników. 2. Podstawy teoretyczne Duże moce jednostkowe współczesnych silników spalinowych powodują wzrost ich obciążeń. Obciążenia mechaniczne tłokowych silników spalinowych powodowane są głównie przez: siły gazowe powstałe w wyniku spalania mieszanki paliwowo powietrznej, zależne od ciśnienia indykowanego wytworzonego w cylindrze, siły bezwładności, powstałe w wyniku ruchu elementów układu korbowotłokowego, które zależą od zmian prędkości kątowej wału korbowego, masy ruchomych części i specyfiki konstrukcyjnej silnika [1,2,7]. Osiągi współczesnych silników spalinowych są limitowane głównie przez obciążenia cieplne, które można wyznaczać przez ilość wywiązywanego ciepła dla silnika jako całości lub lokalnie, wyrażając obciążenia cieplne poprzez temperaturę poszczególnych elementów[3,4,5,6]. 1 dr inż. Piotr Szczęsny - Politechnika Lubelska, Instytut Transportu, Silników Spalinowych i Ekologii 2 mgr inż. Konrad Suprowicz - Lubelskie Centrum Rzeczoznawców Motoryzacyjnych sp. z o.o. 119
Tabela 1. Wskaźniki porównawcze zastosowane do obliczeń. Wskaźnik (parametr) formuła jednostka wymiary główne S/D [-] stopień sprężania [-] średnia prędkość tłoka cśr = 2 S n m/s współczynnik elastyczności E [-] masa jednostkowa G N = Gs/Ne kg/kw objętościowy wskaźnik mocy N V = Ne/Vss kw/dm3 tłokowy wskaźnik mocy N F = Ne/i Ft kw/cm2 skorygowany tłokowy wskaźnik mocy N FK = N F /(S/D)0,5 kw/cm2 Zestawione w tabeli 1 wskaźniki i parametry zostały wykorzystane do wyznaczenia parametrów i wskaźników porównawczych, użytych w późniejszej analizie statystycznej. Tabela 2. Główne wskaźniki silnika Karla Benza (1886) Wskaźnik wartość jednostka wymiary główne S/D 150/130 [-] stopień sprężania 2,7 [-] Rys. 1. Benz Patent-Motorwagen (1886) średnia prędkość tłoka 2,5 m/s objętościowy wskaźnik mocy 1,1 kw/dm 3 tłokowy wskaźnik mocy 0,0166 kw/cm 2 skorygowany tłokowy wskaźnik mocy 0,0155 kw/cm 2 120
Dla lepszego zobrazowania postępu i rozwoju jaki dokonał się w dziedzinie samochodowych silników spalinowych, w tabeli 2 pokazano wybrane wskaźniki jednego z pierwszych silników samochodowych Karla Benza z 1886r., a w tabeli 3 współczesnego, znacznie wysilonego silnika VW Golf 1,4 TSI. Tabela 3. Główne wskaźniki silnika VW Golf 1,4 TSI (2005) Wskaźnik wartość jednostka wymiary główne S/D 75,6/76,5 [-] stopień sprężania 10 [-] średnia prędkość tłoka 17,64 m/s objętościowy wskaźnik mocy 90 kw/dm 3 tłokowy wskaźnik mocy 0,680 kw/cm 2 skorygowany tłokowy wskaźnik mocy 0,684 kw/cm 2 Rys. 2. Silnik VW Golf 1,4 TSI (2005) 3. Analiza statystyczna Na kolejnych wykresach (Rys.3-10) przedstawiono opracowanie graficzne średnich wskaźników i parametrów reprezentatywnych grup silników, dla kolejnych dziesięcioleci poczynając od roku 1940. * silniki wolnossące,** silniki doładowane Rys. 3. Średnie wartości S/D 121
Rys. 4. Średni stopień sprężania Rys. 5. Średnia prędkość tłoka 122
Rys. 6. Współczynnik elastyczności całkowitej Rys. 7. Masa jednostkowa 123
Rys. 8. Objętościowy wskaźnik mocy Rys. 9. Tłokowy wskaźnik mocy 124
Rys. 10. Skorygowany tłokowy wskaźnik mocy Jak wynika z analiz zamieszczonych wskaźników i parametrów porównawczych, w okresie ostatnich siedemdziesięciu lat dokonał się znaczny postęp w konstrukcji silników spalinowych do pojazdów samochodowych, którego efektem jest istotna poprawa wskaźników jednostkowych, pozwalająca osiągać wyższą wydajność energetyczną i tym samym lepsze własności ekologiczne współczesnych jednostek napędowych. 4. Podsumowanie Konstrukcje silników spalinowych, zarówno ZI jak i ZS, są coraz bardziej wysilone. Najnowsze silniki ZI osiągają średnią wartość objętościowego wskaźnika mocy na poziomie 70 kw/dm 3, a silniki ZS 62 kw/dm 3. Obciążenia cieplne silników ZI są większe niż silników ZS. Dla najnowszych silników ZI średnie wartości tłokowych wskaźników mocy wynoszą: N F = 0,61 kw/cm 2, N FK =0,59 kw/cm 2 i odpowiednio dla ZS: N F =0,56 kw/cm 2, N FK =0,53 kw/cm 2. Najbardziej wysilone są obecnie silniki doładowane o ZI. Średnia wartość średniej prędkości tłoka dla współczesnych konstrukcji silników ZI wynosi 16,8 m/s i jest większa niż w przypadku silników ZS, dla których obecnie wynosi 11,9 m/s. W przeszłości, wraz z rozwojem konstrukcji silników zmniejszano skok tłoka, zmniejszając wartość stosunku S/D. Możliwe było zwiększenie prędkości obrotowej wału korbowego, a tym samym uzyskanie większej mocy, bez zmniejszania trwałości silnika. Obecnie panuje tendencja do ponownego zwiększania stosunku S/D. Literatura: [1] Wajand J., Werner J.: Silniki spalinowe małej i średniej mocy. WNT, Warszawa 1983, [2] Kozaczewski W.: Konstrukcja grupy tłokowo- cylindrowej silników spalinowych.wkił, Warszawa 2004, 125
[3] Wisniewski S.: Obciążenia cieplne silników tłokowych. WKiŁ, Warszawa 1972, [4] Rychter T., Teodorczyk A.: Teoria silników tłokowych. WKiŁ, Warszawa 2006, [5] Kowalewicz A.: Systemy spalania szybkoobrotowych tłokowych silników spalinowych.wkił, Warszawa 1980, [6] Wisłocki K.: Systemy doładowania szybkoobrotowych silników spalinowych.wkił, Warszawa 1990, [7] Luft S.: Podstawy budowy silników. WKiŁ, Warszawa 2003. Streszczenie W pracy przedstawiono analizę statystyczną wskaźników porównawczych oraz parametrów konstrukcyjnych, reprezentatywnych grup silników pojazdów osobowych, produkowanych w kolejnych dziesięcioleciach w latach 1950-2011. Przygotowano bazę danych niezbędnych parametrów ponad 200 silników zarówno o ZI jak i ZS. Do analiz wykorzystano zestaw 8 zdefiniowanych wskaźników porównawczych i konstrukcyjnych, istotnych ze względu na obciążenia cieplne i mechaniczne porównywanych silników. Słowa kluczowe: silniki spalinowe, wskaźniki porównawcze, analiza statystyczna ESTIMATION OF THE DEVELOPMENT OF COMBUSTION ENGINES IN SUPPORT ABOUT COMPARATIVE COEFFICIENTS ANALYSIS Abstract The paper presents the statistical analysis of comparative coefficients and constructional parameters of representative groups of engines of personal vehicles, produced in next decades in years 1950-2011. The base of data of indispensable parameters over 200 engines both about SI how and CI was prepared. To analyses were used the set of 8 defined comparative and constructional coefficients, important with regard on thermal and mechanical loads of compared engines. Keywords: combustion engines, comparative coefficients, statistical analysis 126