Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 13, No. 3 BASIC PROCEDURES OF INDEPENDENT INTERNAL COMBUSTION ENGINE VALVES STEERAGE Stefan Postrzednik, Zbigniew mudka Silesian University of Technology, Institute of Thermal Technology Konarskiego 18, 44-100 Gliwice, Poland tel.: +48 32 2371231, fax: +48 32 2372872 e-mail: postef@polsl.pl Abstract Effective work of internal combustion engines, which are used as the driving source of cars, occurs not only at the full load, but mostly at the part load, when the energy efficiency e is significant lower than in the optimal (nominal field) range of the performance parameters. One of the numerous reasons of this state is regular growing of the relative load exchange work of the IC engine. Using the worked out theoretical formulas it has been calculated that the relative load exchange work can achieve value up to 40 % at the part load (e.g. idle run) of the IC engine, whereby in real systems the engine speed influences the results too. As consequence of the growing of the relative load exchange work is the significant drop of the engine efficiency; from ca. 55 % down to ca. 25 %. The solutions of this problem are based on the fully independent control of the motion of inlet and outlet valves, whereby the optimal internal recirculation ratio of flue gases should be taken into account. New reference cycles can be applied too. Keywords: combustion engines, operation criteria, engine efficiency, valves steerage PODSTAWOWE PROCEDURY NIEZALENEGO STEROWANIA ZAWORAMI SILNIKA SPALINOWEGO Streszczenie W pracy przedstawiono gówne problemy zwizane z eksploatacj silnika spalinowego przy obcieniach niszych od nominalnych. W polu pracy silnika spalinowego wystpuje podobszar jego optymalnej eksploatacji (najnisze jednostkowe zuycie paliwa g e, kg/kwh, najwysza efektywna sprawno e ). Silnik pracuje najczciej pod obcieniem czciowym, a wtedy jego efektywna sprawno e jest znacznie nisza anieli w obszarze nominalnym. Jedn z gównych przyczyn jest wzgldny wzrost pracy wymiany adunku. Przeprowadzone, na podstawie opracowanego teoretycznego algorytmu, obliczenia wykazay, e wzgldna praca wymiany adunku moe dochodzi do 40% (np. na biegu jaowym). Rezultatem wzrostu wzgldnej pracy wymiany adunku jest znaczcy spadek sprawnoci silnika z ok. 55% do wartoci ok. 25%. W celu ograniczenia tych strat proponuje si róne moliwoci np. elektroniczne sterowanie ruchem zaworów dolotowych i wylotowych, lepsz organizacj obiegu termodynamicznego. Przegld kryteriów, proponowanych rozwiza w tym zakresie oraz moliwoci poprawy pracy silników s przedmiotem zainteresowa. Sowa kluczowe: silniki spalinowe, kryteria eksploatacji, efektywno pracy, sterowanie zaworami 1. Wprowadzenie: ogólna charakterystyka zagadnienia 1.1. Znaczenie oraz analiza moliwoci ograniczenia strat zwizanych z realizacj procesu wymiany adunku Wobec systematycznie zmniejszajcych si zasobów ciekych paliw kopalnych (perspektywa ok. 40 lat), sprawa znaczcego obnienia zuycia paliwa przez silniki spalinowe, wykorzystywane do napdu samochodów, jest dzisiaj szczególnie powanie traktowana [3, 4]. Coraz bardziej aktualne staje si none haso: samochód zuywajcy 3 litry paliwa na 100 km przebytej drogi.
S. Postrzednik, Z. mudka Cech charakterystyczn eksploatacji pojazdów jest fakt wystpowania czstych zmian parametrów obcienia (prdkoci obrotowej n o, obr./min, przenoszonego momentu obrotowego M o, Nm/rad, przekazywanej efektywnej mocy N e, kw) silnika spalinowego napdzajcego samochód. W konsekwencji tego praca silnika pod obcieniem dokadnie nominalnym (optymalnym) wystpuje stosunkowo rzadko, natomiast najczciej ma miejsce jego czciowe obcienie [2], [5], [7], o rónym odchyleniu parametrów od punktu nominalnej pracy silnika. Problem ten ma bezporedni zwizek z wielkoci ponoszonych kosztów eksploatacji pojazdu, a nastpnie take z wielkoci emisji substancji szkodliwych (zarówno skadniki gazowe: tlenek wgla CO, tlenki azotu NO x, wglowodory C m H n, tlenki siarki SO y, jak i czstki stae: sadza, skondensowane wglowodory). Niebagateln spraw jest ponadto potrzeba ograniczenia wielkoci emisji gazów przyczyniajcych si bezporednio do intensyfikacji efektu cieplarnianego [7], w tym przede wszystkim dwutlenku wgla CO 2. W obszarach pracy znacznie oddalonych od stanów nominalnych (optymalnych) efektywna sprawno e silnika spalinowego jest znacznie nisza anieli w obszarze optymalnym. Ilustracj tego jest rys. 1, [7], gdzie oprócz charakterystyk zewntrznych (lewa strona) zaznaczono izolinie jednostkowego zuycia paliwa b e = idem w caym polu pracy (prawa strona) silnika spalinowego. Proces konwersji energii zachodzcy w ukadzie tokowego silnika spalinowego scharakteryzowa mona za pomoc jego efektywnej sprawnoci energetycznej e, Ne zdefiniowanej jako: e, (1) m p Wd gdzie: N e, kw - moc efektywna silnika spalinowego, oraz m, kg/s - strumie masy spalanego paliwa, o wartoci opaowej W, kj/kg. p d Standardowym odniesieniem (np. w aspekcie oceny jakoci realizowanej konwersji energii w ukladzie), dla rzeczywistego obiegu silnika spalinowego, jest teoretyczny obieg porównawczy, zawierajcy ponadto gówne, wyidealizowane etapy [4] dziaania ukadu. Efektywn sprawno energetyczn e silnika (wzór (1)), mona wyrazi jako iloczyn: e o i m i m, (2) a ponadto: i o i, (3) gdzie: o - sprawno obiegu porównawczego (o mocy N 0 ), i - sprawno wewntrzna silnika, N N o i przy czym wynosz one: o, i, (4) m p Wd m p Wd df Ni df N e natomiast ilorazy: i, m, (5) No Ni to: i - stopie doskonaoci wewntrznej, m - stopie doskonaoci mechanicznej silnika. W miejsce efektywnej sprawnoci energetycznej e stosuje si wskanik wzgldnego m p jednostkowego zuycia paliwa: be, kg/kws, przy czym: e be Wd 1 (6) Ne Fakt znaczcego zmniejszania si efektywnej sprawno e silnika w obszarze pozaoptymalnym objawia si wzrostem jednostkowego zuycia paliwa b e, kg/kwh (rys. 1). Dziki zmianom obiegu porównawczego mona osign wysze wartoci sprawnoci energetycznej, tym samym wysze wartoci efektywnej sprawnoci energetycznej. o e 296
Basic Procedures of Independent Internal Combustion Engine Valves Steerage moment, Nm/rad Silnik BMW, 6-cyl., D moc moment prdko obrotowa, obr/min moc, kw praca jednostk., le,v kj/(dm 3 cykl) prdko obrotowa, obr/min Rys. 1. Przykadowe charakterystyki eksploatacyjne silnika spalinowego [5] Fig. 1. Exemplary operating characteristics of internal combustion engine [5] Sporód wielu przyczyn tego stanu rzeczy jako istotne wymieni naley (wzgldne): a) wzrost pracy wymiany adunku (zmniejszenie stopnia i doskonaoci wewntrznej), b) wzrost pracy tarcia w ukadzie (obnienie stopnia m doskonaoci mechanicznej). Wiksze potencjalne moliwoci poprawy sytuacji wiza mona z ograniczeniem strat w procesie wymiany adunku, co powinno skutkowa wzrostem stopnia i doskonaoci wewntrznej, szczególnie w obszarach znacznie oddalonych od stanów nominalnych pracy silnika. Dzisiaj najczciej stosowany jest klasyczny ukad sterowania ruchem zaworów, oparty o wykorzystanie wspópracujcej pary krzywka popychacz, z jednym lub dwoma wakami rozrzdu, napdzanymi od wau korbowego, a umieszczonymi najczciej w gowicy silnika spalinowego rys. 2. waek krzywkowy wylotowy waek krzywkowy dolotowy dwignia popychacza kana dolotowy wieca zaponowa wylotowy wtryskiwacz tok dolotowy korbowód Rys. 2. Ukad rozrzdu z wakami umieszczonymi w gowicy silnika. Fig. 2. ICE timing gear system with camshafts located in an engine head W ramach konkretnych rozwiza bdcych przedmiotem bada proponuje si przede wszystkim opracowanie kryteriów oraz algorytmów w peni niezalenego sterowania ruchem zaworów dolotowych (co w efekcie powinno skutkowa dopasowaniem masy wieego adunku doprowadzonego do cylindra do aktualnego obcienie silnika), jak równie ruchem zaworów wylotowych (kiedy gównie chodzi o zatrzymanie reszty spalin w cylindrze, czyli realizacj recyrkulacji wewntrznej spalin) rys. 3. 297
S. Postrzednik, Z. mudka Rys. 3. Schemat ukadu niezalenego sterowania ruchem zaworów Fig. 3. Scheme of independent steerage of engine valves motion Take jedna z wczeniejszych propozycji autorów projektu, polegajca na opracowaniu lepszej organizacji samego obiegu silnika, poprzez zastosowanie tzw. eko obiegu [4], [5]; okazaa si szczególnie przydatna przy czciowym obcieniu silnika spalinowego, kiedy to wanie praca wymiany adunku jest wzgldnie najwiksza, a eko-obieg pozwala j efektywnie zmniejszy. 1.2. Rola i znaczenie sposobu regulacji silnika spalinowego Zarówno praca wymiany adunku, jak i praca tarcia w ukadzie przyczyniaj si do pomnaania strat egzergii [6] towarzyszcych procesowi konwersji energii w ukadzie, a które wynikaj oraz s cile powizane ze stosowanymi systemami regulacji obcienia silników spalinowych. Powszechnie stosowane s dwa systemy regulacji obcienia silników [2], [4]: a) regulacja ilociowa, stosowana w silnikach z zaponem iskrowym (ZI), kiedy nastpuje dopasowanie masy czynnika roboczego (suma masy doprowadzonego powietrza oraz masy dawki paliwa) do aktualnego zapotrzebowania, co skutkuje zazwyczaj odpowiednim poziomem cinienia p 1 w cylindrze po jego napenieniu - ilustracj tego jest rys. 4. p p max,1 p max,2 Obieg silnika ZI; regulacja ilociowa pracy cyklu: dawienie na dopywie: p min,1 > p min,2 wtedy masa czynnika: m o,1 > m o,2 daje w konsekwencji: p max,1 > p max,2 oraz L 0,1 > L 0,2, M 0,1 > M 0,2, moc: N 0,1 > N 0,2 przy n 0 = idem (+) L 0,1 (-) (+) L 0,2 (-) p ot p min,1 p min,2 V k V s V 0 V Rys. 4. Stosowanie regulacji ilociowej silników spalinowych (ZI) Fig. 4. Effects of quantitative control of internal combustion engine (SI) 298
Basic Procedures of Independent Internal Combustion Engine Valves Steerage b) regulacja jakociowa, stosowana w silnikach z zaponem samoczynnym (ZS) rys. 5, której cech charakterystyczn silnika jest to, e stosunek nadmiaru tlenu, a tym samym skad stechiometryczny (jako) mieszanki palnej przygotowanej do procesu spalania, zmieniaj si stosownie do aktualnego obcienia silnika, a masa doprowadzonego powietrza pozostaje w przyblieniu na niezmienionym poziomie, natomiast wielko masy dawki paliwa jest dostosowywana do aktualnego obcienia silnika, co w konsekwencji skutkuje zmian stosunku nadmiaru powietrza (tlenu) oraz skadu mieszanki palnej przygotowanej do procesu spalania, ponadto na skutek tego przy obcieniach czciowych (a do pracy na biegu jaowym) przez silnik w kadym cyklu przetaczana jest znacznie nadmiarowa ilo powietrza (które nie uczestniczy aktywnie w procesie spalania), a jedynie przyczynia si do znacznego wzrostu wzgldnej pracy wymiany adunku, co tumaczy schemat na rys. 5. p p max,1 p max,2 Obieg silnika ZS; regulacja jakociowa pracy cyklu: masa czynnika: m o,1 m o,2, (m p,1-2) na dopywie: p min,1 p min,2, = var bo masa dawek paliwa: m p,1 > m p,2, daje w konsekwencji: p max,1 > p max,2 oraz L 0,1 > L 0,2, M 0,1 > M 0,2, moc: N0,1 > N 0,2 przy n 0 =idem (+) L 0,1 (-) (+) L0,2 (-) p ot p min,1 p min,2 V k V s Rys. 5. Stosowanie regulacji jakociowej silników spalinowych (ZS) Fig. 5. Effects of qualitative control of internal combustion engine (CI) 2. Wpyw obcienia silnika na straty zwizane z wymian adunku 2.1. Czynniki wpywajce na wielko pracy wymiany adunku Realizacja procesu wymiany adunku silnika spalinowego wie si bezporednio z koniecznoci pokonania napotykanych oporów przepywu, a wic z potrzeb wykonania odpowiedniej pracy wymiany adunku L w w ramach kadego cyklu. Wielko pracy wymiany adunku L w wykonanej w ramach kadego cyklu wynosi: Lw Lnap Lwyp, Lnap 0, Lwyp 0, Lw 0, (7) gdzie: L nap praca napeniania cylindra wieym adunkiem, L wyp praca zwizana z wypywem produktów spalania (spalin) z cylindra silnika. Usytuowanie oporów przepywu na drodze wymiany adunku pokazano na rys. 6. Skadowe wielkoci pracy wymiany adunku mona efektywnie oszacowa (rys. 6) jako: L nap p V, L p V, a wtedy : L ( p p ) V, (8) d s wyp w s gdzie: p d - redni spadek cinienia po stronie dopywowej do cylindra, p w - redni spadek cinienia po stronie wypywowej z cylindra. Praca wymiany adunku przyjmuje wartoci ujemne (L w < 0) i przyczynia si do pomniejszenia wielkoci pracy wewntrznej L i wykonywanej przez czynnik roboczy. Na spadek cinienia p po stronie napeniania cylindrów skadaj si: d V 0 V w d w s 299
S. Postrzednik, Z. mudka gdzie: p fil p prz p zad - spadek cinienia na filtrze powietrza, - spadek cinienia na przepustnicy, p p p p, (9) d fil - spadek cinienia w obrbie kolektora i zaworów dopywowych. prz zad p fil p prz p kat p tu pzad p zaw p ot p ot filtr powietrza przepustnica p cyl konwertor katalityczny tumik spalin p d = p fil + p prz + p zad p w = p zaw + p kat + p tu Rys. 6. Zasadnicze elementy ukadu wymiany adunku silnika spalinowego (ZI) Fig. 6. Main resistance elements of IC engine charge exchange system (SI) Konwertory katalityczne, instalowane w ukadach wylotowych spalin silnika, usytuowane s (rys. 6) szeregowo pomidzy silnikiem a tumikiem haasu, stanowi wic dodatkowy opór przepywu na drodze spalin z silnika oraz bezporednio oddziaywaj na prac wymiany adunku silnika spalinowego, gdy na spadek cinienia p w skadaj si: pw pzaw pkat ptlu, (10) gdzie: - spadek cinienia w obrbie zaworów wypywowych i kolektora, p zaw p kat -spadek cinienia w obrbie konwertora katalitycznego spalin, p tlu - spadek cinienia w obrbie tumika wylotowego spalin. Ostatecznie jednak, aby efektywnie osign zmniejszenie pracy wymiany adunku L w, naley zadba o ograniczenie oporów przepywu po stronie napeniania ( pd ) wieym adunkiem, jak równie po stronie wypywu ( p w ) spalin silnikowych, których suma: pd w pd pw (11) Zagadnienie rozwizano najpierw na drodze rozwaa teoretycznych (modele uproszczone). Nastpnie opracowano ujcie (w oparciu o dane, odnoszce si do ukadów rzeczywistych) pokazane na rys. 7, z którego mona odczyta wartoci wzgldnej pracy wymiany adunku (L w /L i ) w zalenoci od wzgldnego obcienia silnika (L i /L i,n ), przy prdkoci obrotowej n o wau korbowego silnika spalinowego, co potwierdzono w [7]. Zgodnie z oczekiwaniami z oblicze wynika, e wraz ze zmniejszaniem obcienia silnika wzgldna praca wymiany adunku (L w. /L i ) znaczco wzrasta, a do okoo 40 % przy najniszych obcieniach, wzrost prdkoci obrotowej n o silnika powoduje wzrost pracy wymiany adunku. Uzyskano w ten sposób potwierdzenie postawionej tezy, e jednym z istotnych sposobów poprawy efektywnoci pracy silników, przy ich czciowych obcieniach, jest potrzeba zmniejszenia realizowanej pracy wymiany adunku, co jest moliwe do osignicia poprzez niezalene sterowanie ruchem zaworów dolotowych oraz wylotowych. 300
Basic Procedures of Independent Internal Combustion Engine Valves Steerage wzgldna praca wymiany adunku (Lw/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 wzgldna praca (L i /L i,n ) cyklu obiegu Rys. 7. Wpyw obcienia silnika na wzgldn prac wymiany adunku cyklu Fig. 7. Influence of combustion engine load on the charge exchange relative work Konsekwencj niezalenego sterowania ruchem zaworów jest moliwo likwidacja przepustnicy w ukadzie zasilania. W przypadku regulacji jakociowej (ZS) przy obcieniach czciowych dawienie na dopywie nie wystpuje, lecz przez silnik przetaczana jest znacznie nadmiarowa ilo powietrza, która przyczynia si do znacznego wzrostu wzgldnej pracy wymiany adunku. 2.2. Wybrane moliwoci wykorzystania sterowania zaworami (obiegi modelowe) W klasycznym rozwizaniu systemu sterowania ruchem zaworów (rys. 2) dolotowy zostaje otwarty jeszcze przed osigniciem przez tok (GZP), a zamknity ju po miniciu (DZP), co zilustrowano za pomoc schematu pokazanego na rys. 8. Stosujc klasyczny system sterowania zaworami realizuje si tzw. klasyczny proces wymiany adunku; w efekcie zauwaalne jest wspóotwarcie obu zaworów (rys. 8). h max wznios zaworów 0 wylotowy dolotowy Ukad klasyczny ruchu zaworów kt obrotu wau cinienie p w cylindrze p 0 wylotowy: w o otwarcie, w z zamknicie dolotowy: d o otwarcie, d z zamknicie d 0 w z p w p w-ad p d Ukad klasyczny wymiany adunku w cylindrze L w-ad V s p w-ad d z w 0 obj. cyl. V DZP GZP DZP GZP GZP V s = V DZP V GZP Rys. 8. Klasyczny ruch zaworów oraz wymiana adunku silnika spalinowego Fig. 8. Classical motion of engine valves and shape of engine charge exchange DZP Sytuacja taka niewiele si zmienia wraz z obcieniem silnika; za napenienie cylindra odpowiedzialne jest gównie ustawienie przepustnicy (rys. 6), która jest jednoczenie ródem strat. Cech charakterystyczn klasycznego rozwizania systemu sterowania ruchem zaworów jest 301
S. Postrzednik, Z. mudka to, e pole ptli wymiany adunku (rys. 8) jest znacznych rozmiarów (szczególnie przy niszych obcieniach silnika, obserwuje si wzrost p d ), a tym samym wraz ze zmniejszaniem obcienia silnika wzgldna praca wymiany adunku (L w. /L i ) musi znaczco wzrasta. Skutkuje to w efekcie spadkiem sprawnoci energetycznej silnika. Dla obnienia wartoci wzgldnej pracy wymiany adunku (L w. /L i ) zaproponowa mona kilka rozwiza wariantowych w odniesieniu do zagadnienia sterowania zaworami dolotowymi, w tym: a) ukad z wczeniejszym zamkniciem zaworu dolotowego, b) ukad z opónionym zamkniciem zaworu dolotowego, c) ukad z opónionym otwarciem zaworu dolotowego. Ilustracj zagadnienia s ponisze schematy, pokazane na rys. 9, a dotyczce ukadu z wczeniejszym zamkniciem zaworu dolotowego. h max wznios zaworów 0 wylotowy dolotowy System z wczesnym zamkniciem zaworu dolotowego kt obrotu wau cinienie p w cylindrze p 0 wylotowy: w o otwarcie, w z zamknicie dolotowy: d o otwarcie, d z zamknicie d 0 w z p d p w-ad d z p w Ukad z wczesnym zamkniciem zaworu dolotowego L w-ad < (V s p w-ad ) kl w 0 obj. cyl. V DZP GZP DZP GZP GZP V s = V DZP V GZP Rys. 9. Sterowanie ukadu system z wczeniejszym zamkniciem zaworu dolotowego Fig. 9. Valve control system with early closing of inlet valve DZP Istotne uwarunkowania wynikaj take z potrzeby optymalnego doboru tzw. stopnia wewntrznej recyrkulacji spalin. Na tej podstawie mona zaproponowa take kilka rozwiza wariantowych, dotyczcych zagadnienia sterowania zaworami wylotowymi, w tym: ) ukad z wczeniejszym zamkniciem zaworu wylotowego, ) ukad z opónionym zamkniciem zaworu wylotowego. Bardzo interesujce bdzie powizanie, moliwych do utworzenia rozwiza wariantowych, w odniesieniu do sterowania zaworami dolotowymi (a., b., c.), z rozwizaniami wariantowymi dotyczcymi zagadnienia sterowania zaworami wylotowymi (.,.). Wszystkie te warianty bd przedmiotem szczegóowej analizy, w ramach dalszych bada. Zagadnienie programowania iloci reszty spalin pozostajcych w cylindrze z cyklu poprzedniego (tzw. recyrkulacja wewntrzna spalin) zostao zilustrowane na rys. 10. Istotny wpyw wywiera tutaj warto aktualnego obcienie silnika oraz zastosowany system regulacji obcienia, charakteryzowany w punkcie 1.2. tego opisu. W przypadku klasycznej regulacji dawieniowej mona zaobserwowa (rys. 10), e wraz ze zmniejszajcym si obcieniem silnika (a tym samym zwikszonym dawieniem na ssaniu) cinienie w cylindrze obnia si jeszcze w czasie wspóotwarcia zaworów, co powoduje, e spaliny zostaj czciowo zawracane spoza jeszcze otwartego zaworu wylotowego do wntrza cylindra, co skutkuje systematycznym wzrostem wzgldnej iloci reszty spalin r s. Jest to niekorzystne dla prawidowej pracy silnika, gdy dochodzi do zbyt czstego wypadania zaponów. Optymalizacja w tym zakresie powinna polega na zrealizowaniu nastpujcych opcji: w zakresie biegu luzem: wymagane s nisze wartoci reszty spalin r s, ze wzgldu na potrzeb zagwarantowania pewnoci zaponu oraz zapewnienie równomiernego (stabilnego) biegu silnika, 302
Basic Procedures of Independent Internal Combustion Engine Valves Steerage wzgldna ilo reszty spalin r s 0,4 0,2 0,0 regulacja przepustnic (klasyczna, dawieniowa) df m s r s ma m s krzywa optymalna (mieszanki homogeniczne) N N max bieg luzem czciowe obcienie wzgldne silnika pene Rys. 10. Wpyw obcienia silnika na ilo reszty spalin w cylindrze. Fig. 10. Influence of engine load on the mass of residual gases in a cylinder w zakresie obcie czciowych: za spraw stopniowo zmniejszanego dawienia na ssaniu nastpuje zwikszanie stopnia napenienia cylindra, a tym samym spaliny resztkowe w cylindrze s lepiej tolerowane. Dziki temu zniwelowaniu (obnieniu) ulegaj piki temperaturowe w czasie spalania, co pociga za sob ograniczenie emisji tlenków azotu NO x, a ponadto zmniejszeniu ulega strumie ciepa (straty ciepa) do cianek cylindra; natomiast dalsze korzyci zwizane s ze zmniejszeniem pracy wymiany adunku (wzrost sprawnoci) oraz wzrostem stopnia napenienia, w zakresie penych obcie: wymagane s moliwie niskie wartoci wzgldnej iloci r s reszty spalin pozostaych w cylindrze, co wynika z wysokiego zapotrzebowania tlenu do spalenia wikszej iloci dostarczanego paliwa. Algorytmu sucy do sterowania ruchem zaworów dolotowych jak równie wylotowych, za pomoc rozwizania pokazanego na rys. 3, naley tak dopracowa, aby moliwie efektywnie przyczynia si do ograniczenia dawienia wieego adunku na dopywie do silnika, a take optymalnego sterowania iloci reszty spalin (rys. 10), co ma szczególne znaczenie w obszarach pracy silnika spalinowego znacznie oddalonych od stanów nominalnych. Generalnie wic, opracowane warianty proponowanych algorytmów sterowania zaworami, bd przedmiotem szczegóowych bada, prowadzonych w ramach dalszych etapów prac. Jedn z wielu moliwoci zmniejszenia pracy wymiany adunku jest wykorzystanie obiegu Millera (Atkinsona), który pierwotnie zosta zaproponowany do regulacji osiganych parametrów, podczas eksploatacji doadowanych silników spalinowych (lotniczych). Efekt charakteryzujcy si mniejszym stosunkiem kompresji izentropowej, w stosunku do stosunku ekspansji produktów spalania (typowy zabieg w obiegu Atkinsona), uzyska mona stosujc system z opónionym zamkniciem zaworu dolotowego, co zilustrowano na rys. 11. Realizacja koncepcji pokazanej na rys. 11 wymaga zastosowania niezalenego sterowania ruchem zaworów (rys. 3). Rozwizanie to, chocia na obecnym etapie obejmuje tylko sterowanie zaworem dolotowym [7], zostao ju wdroone do eksploatacji przez motoryzacyjny koncern japoski (Toyota, model Prius). Algorytmu sterowania ruchem zaworów dolotowych jak równie wylotowych za pomoc rozwizania pokazanego na rys. 2, naley tak dopracowa pod wzgldem sterowalnoci, aby moliwie efektywnie przyczynia si do ograniczenia dawienia wieego adunku na dopywie do 303
S. Postrzednik, Z. mudka silnika, a take optymalnego sterowania iloci reszty spalin (rys. 10), co ma szczególne znaczenie w obszarach pracy silnika spalinowego znacznie oddalonych od stanów nominalnych. Susznie wic, e jako rozwizanie najbardziej efektywne proponuje si niezalene sterowanie ruchem zaworów dolotowych (dopasowanie masy wieego adunku doprowadzonego do cylindra), jak równie ruchem zaworów wylotowych (chodzi o zatrzymanie reszty spalin w cylindrze, czyli realizacj recyrkulacji wewntrznej spalin). h max wznios zaworów 0 wylotowy System z opónionym zamkniciem zaworu dolotowego dolotowy kt obrotu wau cinienie p (w cylindrze) p 0 wylotowy: w o otwarcie, w z zamknicie dolotowy: d o otwarcie, d z zamknicie d 0 w z p d p w-ad d z p w Ukad z opónionym zamkniciem zaworu dolotowego L w-ad < (V s p w-ad ) 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 dolotowym Fig. 11. Performance of the Miller (Atkinson) cycle using inlet valve steerage DZP Dla kompletu opracowanych wariantów sterowania zaworami, musz zosta dobrane odpowiednie algorytmy sterowania ruchem zaworów. W tym aspekcie cao bada powinna si koncentrowa na nastpujcych zagadnieniach: 1. Analiza procesów konwersji energii w ukadzie tokowego silnika spalinowego; wpyw obcienia silnika na jako procesów energetycznych. 2. Okrelenie strat zwizanych z wymian adunku oraz czynniki wpywajce na wielko pracy wymiany adunku w silnikach ZI, a take silników ZS. 3. Badania eksperymentalne nad prac wymiany adunku oraz jakoci procesów konwersji energii silnika spalinowego. 4. Podstawowe kryteria, znaczenie sposobu regulacji silnika spalinowego oraz analiza moliwoci ograniczenia strat w procesie wymiany adunku. 5. Dobór procedur oraz badanie moliwoci w zakresie wykorzystania algorytmów niezalenego sterowania zaworami silnika spalinowego, które obejmuj: procedury niezalenego sterowania zaworami dolotowymi procedury niezalenego sterowania zaworami wylotowymi 6. Sterowanie reszt spalin oraz czne ujcie procedur niezalenego sterowania zaworami silnika. Ustalenie kryteriów oraz opracowanie i dobór procedur niezalenego sterowania zaworami silnika spalinowego jest w tym przypadku spraw zasadnicz i wan, dlatego te bdzie gównym przedmiotem prac w ramach dalszych bada. Ostatecznie, zarówno praca wymiany adunku jak i praca tarcia w ukadzie przyczyniaj si do pomnaania strat egzergii towarzyszcych procesowi konwersji energii w ukadzie, czego naley unika. Literatura [1] Ferguson, C.R., Internal Combustion Engines, Applied Thermo-Sciences. John Wiley, 1986. [2] Kowalewicz, A., Tworzenie mieszanki i spalanie w silnikach z zaponem iskrowym, WKi, Warszawa 1984. [3] Merkisz, J., Ekologiczne aspekty stosowania silników spalinowych, Pozna 1994. 304
Basic Procedures of Independent Internal Combustion Engine Valves Steerage [4] Postrzednik, S., mudka, Z., Advanced Thermodynamic Cycle of Internal Eco-Engine, 28 th International Symposium on Combustion Engines, Edinburgh, Scotland 2000. [5] Postrzednik, S., Termodynamiczny obieg eko-silnika spalinowego, XVII Zjazd Termodynamików, Kraków-Zakopane 1999. [6] Szargut, J., Petela, R., Egzergia, WNT, Warszawa 1965. [7] Shell Lexikon, Verbrennungsmotor, Verlegerbeilage der ATZ MTZ, Verlag Vieweg, Wiesbaden 2000 2002. 305