1

1. Budowa i klasyfikacja tłokowych silników spalinowych

- sposób

działania,

- sposób zapalania mieszaniny paliwowo – powietrznej,
- teoretyczny obieg porównawczy,
- rodzaj

paliwa,

- sposób zasilania paliwem i tworzenia mieszaniny palnej,
- sposób zasilania powietrzem,
- cechy

konstrukcyjne,

- przeznaczenie.

2. Podział według sposobu działania

- czterosuwowe, w których jeden obieg pracy realizowany jest w czasie czterech

suwów tłoka, to znaczy w czasie dwóch obrotów wału korbowego,

- dwusuwowe, w których na jeden obieg pracy przypadają dwa suwy tłoka, to

znaczy jeden obrót wału korbowego.

Ze względu na kierunek nacisku czynnika roboczego na tłok, wyróżnia się:

- silniki

jednostronnego działania,

- silniki

dwustronnego działania.

Te ostatnie jako silniki wielkich mocy, dawniej szeroko stosowane na statkach,
obecnie nie są już wykorzystywane do napędu statków.

3. Podział według rodzaju zapłonu

Ze względu na sposób zapalania mieszaniny paliwowo-powietrznej wyróżnia się:

- silniki:

z

zapłonem samoczynnym,

- silniki

z

obcym źródłem zapłonu.

W silnikach z zapłonem samoczynnym, zwanych również silnikami wysokoprężnymi,

zapłon następuje po podgrzaniu mieszaniny paliwowo-powietrznej do temperatury
samozapłonu. Podgrzanie następuje na skutek sprężania ładunku czynnika roboczego w

cylindrze. W silnikach tego typu paliwo doprowadzane jest w końcu suwu sprężania
powietrza, gdzie odparowuje i następuje zapłon. Wyjątek stanowią wysokoprężne silniki
dwupaliwowe, w których paliwo gazowe doprowadzane jest na początku suwu sprężania.

W silnikach z obcym źródłem zapłonu, zwanych często silnikami z zapłonem iskrowym,
zapłon mieszaniny następuje od iskry elektrycznej.
Ciśnienie sprężania w nich jest niższe niż w silnikach z zapłonem samoczynnym, a
temperatura sprężanego powietrza jest niższa od temperatury zapłonu paliwa. Do grupy
silników z obcym źródłem zapłonu należą również silniki dwupaliwowe (gaz i paliwo
ciekłe), w których stosuje się dawkę zapłonową paliwa ciekłego.

2

4. Podział według obiegu porównawczego

Ze względu na teoretyczny obieg porównawczy wyróżnia się silniki ze spalaniem:

- przy stałej objętości (V=const); silniki o niskim stopniu sprężania z obcym źródłem

zapłonu, silniki iskrowe (obieg Otto),

-

przy stałym ciśnieniu (p=const); silniki o wysokim stopniu sprężania, paliwo
rozpylane jest za pomocą sprężonego powietrza (obieg Diesla),

- przy stałej objętości i stałym ciśnieniu (obieg Sabathe), wszystkie współczesne

wysokoprężne silniki spalinowe z hydraulicznym rozpylaniem paliwa w cylindrze.

Obiegi teoretyczne silników

obieg Otto

obieg Diesla

obieg Sabathe

5. Podział według rodzaju paliwa

Według rodzaju stosowanego paliwa wyróżnia się silniki:

- gazowe, zasilane gazem ziemnym, generatorowym lub innymi rodzajami gazu,

- na paliwo ciekłe, zasilane benzyną, naftą, spirytusem, olejem napędowym lub

olejem opałowym,

- wielopaliwowe, przystosowane do spalania paliw płynnych różnego pochodzenia

lub paliwa gazowego i ciekłego.

Do tej ostatniej grupy należą silniki dwupaliwowe stosowane na zbiornikowcach do
przewozu gazów LNG (Liquid Natural Gas). Podczas spalania paliwa gazowego w tych
silnikach, paliwo ciekłe stosowane jest jako paliwo zapłonowe.

3

6. Podział według sposobu zasilania paliwem

Według sposobu zasilania paliwem i tworzenia mieszaniny palnej wyróżnia się silniki:

- gaźnikowe, zasilane mieszaniną powietrza i par paliwa ciekłego lub mieszaniną

powietrzno-gazową. Ilościowy skład mieszaniny zależy od warunków obciążenia
silnika i reguluje samoczynnie urządzenie zwane gaźnikiem (dla paliw płynnych)
lub zaworem mieszankowym dla paliw gazowych,

- wtryskowe, zasilane powietrzem i oddzielnie paliwem płynnym; paliwo jest

wtryskiwane do komory spalania w końcu suwu

Wtrysk bezpośredni

Wtrysk

pośredni

komora spalania

przestrzeń sprężania komora wstępna

Wtrysk paliwa stosuje się również w silnikach z zapłonem iskrowym. W tym wypadku
wtrysk następuje do kanału dolotowego powietrza. Skład mieszaniny reguluje
elektroniczny układ regulacyjny.

7. Podział według sposobu zasilania powietrzem

Według sposobu zasilania powietrzem wyróżnia się silniki:

- niedoładowane, w których powietrze lub mieszanina palna dopływa do cylindra

pod wpływem podciśnienia wywołanego ruchem tłoka - suw ssania (silniki
czterosuwowe), lub niewielkiego nadciśnienia wystarczającego do pokonania
oporów przepływu ładunku (silniki dwusuwowe). Tego typu silniki nazywa się
silnikami wolnossącymi, albo samozasysającymi,

- doładowane, w których ładunek jest wstępnie sprężany przed doprowadzeniem do

cylindra za pomocą specjalnych sprężarek. Silniki tego typu niekiedy nazywa się
silnikami kombinowanymi, ponieważ obok silnika tłokowego posiadają
dodatkową sprężarkę, najczęściej wirnikową, która podaje powietrze do silnika
pod zwiększonym ciśnieniem.

4

8. Podział według cech konstrukcyjnych

W tej grupie wyróżnia się takie cechy, jak:

- liczbę i układ cylindrów,

- sposób prowadzenia tłoka,

- prędkość obrotową wału,

- średnią prędkość tłoka,

- nawrotność.

Ze względu na liczbę i układ cylindrów wyróżnia się silniki:

- jednocyliondrowe,

- wielocylindrowe,

Silniki jednocylindrowe budowane są wyłącznie jako silniki małej mocy, zaś silniki
wielocylindrowe jako rzędowe, widlaste i w układzie gwiaździstym oraz silniki z
tłokami przeciwbieżnymi

• Silniki rzędowe mogą być ustawione pionowo, poziomo lub pod pewnym kątem, w

układzie od 2 do 12 cylindrów,

• Silniki widlaste mają kąt rozwidlenia 90, 60 lub 45°, a liczba cylindrów wynosi od 8

do 16. Silniki tego typu są znacznie krótsze od silników rzędowych,

• Silniki gwiazdowe budowane są jako jedno i wielorzędowe, o nieparzystej liczbie

cylindrów w rzędzie

5

Ze względu na prędkość obrotową wału korbowego wyróżnia się silniki:

- wolnoobrotowe (n <240 obr/min),

- średnioobrotowe (240 < n < 1200 obr/min),

- szybkoobrotowe (n > 1200 obr/min).

W literaturze spotyka się także inny podział wyróżniający dodatkowo grupę silników o
podwyższonych obrotach 750 < n < 1500 obr/min. W tym wypadku granice silników
średnio i szybkoobrotowych są odpowiednio przesunięte.

Ze względu na średnią prędkość tłoka (C,) wyróżnia się silniki:

- wolnobieżne (C, < 6 m/s),

- średniobieżne (6 < C, < 9 m/s),

- szybkobieżne (9 < C, < 15 m/s).

Ze względu na nawrotność wyróżnia się silniki:

- nienawrotne o jednym kierunku obrotów w "prawo" lub "lewo"; kierunek

obrotów w "prawo" przyjmuje się za zgodny z ruchem wskazówek zegara,
widziany od strony koła zamachowego,

- nawrotne, mogące się obracać w obu kierunkach; nawrotność jest cechą

charakterystyczną silników napędzających śrubę okrętową o stałym skoku.

Ze względu na przeznaczenie wyróżnia się silniki:

- napędu głównego (bezpośredniego i pośredniego), jako silniki napędu głównego

bezpośredniego stosowane są zazwyczaj dwusuwowe, wolnoobrotowe silniki
wodzikowe jednostronnego działania, o mocy do 3000 kW/cyl. i średnicy cylindra
do 800 mm (dawniej 1060 mm). Silniki takie wykonuje się jako nienawrotne, jeżeli
przeznaczone są do bezpośredniego napędu śruby nastawnej i nawrotne - w
wypadku śruby o stałym skoku. Jako silniki napędu głównego pośredniego, tak
zwane silniki przekładniowe, wykorzystuje się czterosuwowe, średnioobrotowe
silniki doładowane o mocy do 1500 kW/cyl. i prędkości obrotowej od 400 do 1500
obr/min. oraz średnicy cylindra od 250 do 650 mm.

- pomocnicze różnego przeznaczenia, zespołów prądotwórczych.

Silniki poszczególnych grup, a także wewnątrz tych grup, mogą różnić się cechami

konstrukcyjnymi. Wspólną cechą tych silników jest wielocylindrowość, wtrysk i
samozapłon paliwa, a także rodzaj paliwa (olej napędowy lub opałowy) oraz doładowanie.

6

Zasada działania silnika z zapłonem samoczynnym, czterosuwowym

7

Zasada działania silnika z zapłonem samoczynnym, dwusuwowym

8

Obiegi cieplne silników spalinowych

1. Obieg teoretyczny

Obiegi teoretyczne i porównawcze służą do względnej oceny rzeczywistych procesów

termodynamicznych. W obiegach teoretycznych czynnikiem roboczym jest gaz doskonały,
co pozwala na porównanie rzeczywistych przebiegów zachodzących w silniku z
założeniami, według których silnik powinien pracować. Obiegi teoretyczne rozpatruje się
przy następujących założeniach:

- masa czynnika w cylindrze w czasie obiegu jest stała,
- sprężanie i rozprężanie odbywa się izentropowo,

- ciepło jest dostarczone do czynnika przez izochoryczne (v=const) lub izobaryczne

(p=const) podgrzewanie i odprowadzane jest przez izochoryczne oziębianie, przy
czym skład chemiczny czynnika nie ulega zmianie,

- ciepła właściwe przy stałym ciśnieniu i stałej objętości dla czynnika podlegającego

przemianie pozostają stałe,

- przemiany termodynamiczne obiegu teoretycznego odbywają się dostatecznie

wolno, zaś prędkości czynnika w czasie przemiany są równe zeru i nie występują
straty przepływu.

Obiegi teoretyczne

:

- z doprowadzeniem ciepła przy stałej objętości - obieg Otto,

- z doprowadzeniem ciepła przy stałym ciśnieniu - obieg Diesla,

- z doprowadzeniem ciepła przy stałej objętości i stałym ciśnieniu - obieg Sabathe.

Odprowadzanie ciepła w tych obiegach odbywa się przy stałej objętości (V=const).

Warunkami ograniczającymi parametry termodynamiczne obiegów są:

- ciśnienie otoczenia (przeciętnie około l bar),
- temperatura otoczenia (przeciętnie 290 K),
- najwyższe dopuszczalne ciśnienie spalania,
- najwyższa dopuszczalna temperatura spalania.

Obiegiem o najwyższej sprawności teoretycznej jest obieg Carnota, który składa się z

dwóch izentrop (sprężanie i rozprężanie) oraz dwóch izoterm (odprowadzanie i
doprowadzanie ciepła). Sprawność tego obiegu ogranicza maksymalna i minimalna
temperatura czynnika roboczego.

9

Obieg z doprowadzeniem ciepła przy stałej objętości - Otto

Obieg teoretyczny z doprowadzaniem ciepła przy V= const.

Sprawność teoretyczna obiegu:

Z wyrażenia wynika, że wartość współczynnika sprawności teoretycznej rośnie w

miarę wzrostu stopnia sprężania -

ε.

Współczynnik sprawności teoretycznej obiegu Otto w funkcji stopnia sprężania

Obieg z doprowadzaniem ciepła przy stalym ciśnieniu –Diesla

Sprawność teoretyczna obiegu wynosi:

Wprowadzając definicję stopnia izobarycznego przyrostu objętości w postaci:

10

Z wyrażenia wynika, że w miarę wzrostu stopnia przyrostu objętości sprawność
teoretyczna obiegu Diesla maleje.

Obieg z doprowadzaniem ciepła przy stałej objętości i stałym ciśnieniu – Sabathe

Obieg z doprowadzaniem ciepła przy stałej objętości i stałym ciśnieniu (Sabathe)jest

obiegiem, według którego pracują współczesne, wysokoprężne silniki spalinowe.

Izochoryczny przyrost objętości:

11

Sprawność obiegu Sabathe rośnie wraz ze wzrostem stopnia sprężania i izochorycznego
przyrostu ciśnienia, natomiast maleje ze wzrostem izobarycznego przyrostu objętości.

Współczynnik sprawności teoretycznej obiegu Sabathe przyjmie postać:

Obieg Sabathe jest najbardziej zbliżony do rzeczywistego przebiegu, występującego w
silnikach spalinowych średnio i szybkoobrotowych. W silnikach o zapłonie iskrowym
uwidacznia się to na wykresie indykatorowym poprzez pochylenie izochory. Zjawisko to
występuje wyraźniej w silnikach z zapłonem samoczynnym, w których spalanie odbywa
się zawsze z dużym przyrostem ciśnienia.

Sprawność teoretyczna (

η

t

) obiegu w funkcji przyrostu ciśnienia (

ρ) i stopnia

izobarycznego przyrostu objętości (

φ)

Średnie ciśnienie teoretyczne

Średnie ciśnienie teoretyczne (p

t

) określa stosunek pracy teoretycznej (

L

t

) do przyrostu

objętości jaki występuje, gdy dany czynnik wykonuje tę pracę.

Wartość średniego ciśnienia teoretycznego zależy od rodzaju obiegu teoretycznego.

12

Zależność ciśnienia teoretycznego p

t

obiegu od przyrostu ciśnienia (

ρ) i stopnia przyrostu

objętości (

φ)

Obieg porównawczy

Do obliczeń cieplnych silnika wykorzystuje się obieg porównawczy, najczęściej obieg
Sabathe. Obieg porównawczy umożliwia dokonanie oceny procesów zachodzących w
rzeczywistym silniku w sposób bardziej zbliżony do obiegu rzeczywistego niż obieg
teoretyczny. Obieg taki buduje się przy następujących założeniach:

- czynnikiem w obiegu jest gaz półdoskonały lub rzeczywisty,
- masa czynnika w obiegu jest stała,
- sprężanie i rozprężanie w obiegu odbywa się politropowo,

- ciepło doprowadzone do obiegu dostarczane jest do silnika przez spalanie, które

przebiega przy stałej objętości (Otto) lub przy stałym ciśnieniu i stałej objętości
(Sabathe), z możliwością uwzględnienia spalania niezupełnego i niecałkowitego,

- uwzględnia się pole pracy przypadające na suwy napełnienia i wydechu, które

przebiegaj ą przy stałym, średnim ciśnieniu, przy czym dla silnika wolnossącego
wartość tego pola jest ujemna, a dla doładowanego - dodatnia.

Obiegi porównawcze silnika wolnossącego (a) i doładowanego (b).

13

Obieg rzeczywisty

Wykresy obiegów teoretycznych wykonane we współrzędnych p-V lub T-S wykazują
znaczne różnice w stosunku do obiegów rzeczywistych.

Wykresy obiegów rzeczywistych dla silnika czterosuwowego (a) i dwusuwowego (b)

Różnice między obiegami teoretycznymi i rzeczywistymi wynikają z warunków w jakich
te procesy zachodzą, a mianowicie:
• doprowadzanie i odprowadzanie ciepła w obiegu rzeczywistym nie odbywa się przez

podgrzewanie i oziębianie lecz przez spalanie, a jego szybkość i jakość może być
zmienna,

• w obiegu rzeczywistym odbywa się ciągła wymiana ciepła między gazami i ściankami

cylindra, tłoka i głowicy oraz między ściankami i czynnikiem chłodzącym,

• napełnianiu cylindra świeżym ładunkiem towarzyszą straty przepływu w przewodach

oraz zaworach wlotowych i wylotowych,

• przepłukanie cylindra nie jest doskonałe, gdyż po zakończeniu wydechu zawsze

pozostaje w cylindrze pewna ilość spalin,

• ciepło właściwe gazów rzeczywistych zmienia się wraz z temperaturą,
• gorące ścianki komory spalania oddziałują na temperaturę ładunku (podgrzewają)

zmniejszając napełnienie cylindra,

• ilość czynnika w obiegu jest zmienna ze względu na nieszczelność cylindra.

Straty obiegu rzeczywistego na tle obiegu teoretycznego w układzie współrzędnych T-S

Straty cieplne obiegu rzeczywistego na wykresie T-S.

14

Napełnianie cylindra powietrzem

W czasie suwu cylinder napełniany jest świeżym powietrzem, niezbędnym do spalenia
paliwa. Proces napełniania związany jest zawsze z procesem wydechu.

Przebieg wydechu i napełniania w silniku czterosuwowym: a) wolnossącym, b)
doładowanym

Suw napełniania silnika wolnossącego rozpoczyna się w punkcie (r), natomiast
rzeczywisty początek napełniania cylindra znajduje się w punkcie (r

’

).

Wartość ciśnienia w cylindrze nie jest stała. Na skutek zmiennej prędkości tłoka, zmienia
się prędkość zasysanego powietrza, w wyniku czego następują wahania ciśnienia. Wartość
ciśnienia w cylindrze zależy od oporów przepływu (przewody, zawory, filtry). W miarę
wzrostu tych oporów ciśnienie w cylindrze maleje.
Proces napełniania w silniku doładowanym, różni się od takiego procesu zachodzącego w
silniku niedoładowanym. W silnikach doładowanych powietrze doprowadzane jest pod
ciśnieniem (p

d

) zwiększonym w stosunku do ciśnienia otoczenia (p

o

).

W dwusuwowych silnikach spalinowych, z uwagi na ukształtowanie okien wlotowych i
wylotowych, proces napełniania pokrywa się w pewnej części z procesem wydechu.

Przebieg wydechu i napełniania w silniku dwusuwowym.

Przebieg napełniania cylindra ocenia się na podstawie:

Ciśnienia (p

a

) i temperatury (T

a

) w końcu suwu napełniania (w początku suwu

sprężania) oraz współczynników napełnienia (

η

V

) i zanieczyszczenia spalinami (

γ

r

).

Ten ostatni często nazywany jest współczynnikiem pozostałych spalin. Ilość powietrza
jaka rzeczywiście doprowadzana jest do cylindra jest niższa niż wynikałoby to z
parametrów powietrza doładowania. Przyczyny tego stanu są następujące:

15

1. aerodynamiczne straty przepływu powietrza przez kanały,
2. pozostałość gazów spalinowych w cylindrze,
3. podgrzewanie powietrza doprowadzanego do cylindra przez resztę gazów spalinowych

pozostałych po przepłukaniu,

4. podgrzewanie powietrza przez gorące ścianki tulei cylindrowej, tłoka i głowicy.

Największy wpływ na przebieg procesu napełniania mają ciśnienie (p

a

) i temperatura (T

a

)

w końcu suwu napełniania. Wartość tych parametrów można wyznaczyć na podstawie
dokładnych obliczeń procesu roboczego, bądź na drodze doświadczalnej. Przykładowe
wartości (p

a

) dla silników okrętowych wynoszą:

• p

a

= (0,90 do 0,95)p

o

- 4s, bez doładowania,

• p

a

= (0,85 do 0,96)p

d

- 4s, z doładowaniem,

• p

a

= (0,85 do 1,00)p

d

- 2s, z doładowaniem.

Wartość temperatury w końcu suwu napełniania można wyznaczyć analitycznie lub
doświadczalnie.

Z wyrażenia wynika, że dla danej temperatury doładowania (T

d

), temperatura końca

napełniania (T

a

) rośnie wraz ze wzrostem współczynnika pozostałych gazów (

γ

r

) i

stopniem podgrzania ładunku w cylindrze

∆

T. Mały natomiast wpływ na tę wartość ma

temperatura pozostałych gazów (T

r

). Orientacyjne wartości tych parametrów wynoszą:

∆T= 5 do 10 K — dla silników dwusuwowych,
∆T= 2 do 20 K — dla silników czterosuwowych,
T

r

= 600 do 800 K,

γ

r

= 0,03 do 0,06 - dla silników czterosuwowych,

γ

r

= 0,04 do 0,15 — dla silników dwusuwowych; (mniejsze wartości odnoszą się do

silników doładowanych z przepłukaniem wzdłużnym, większe do silników
niedoładowanych z przepłukaniem poprzecznym).

W silnikach okrętowych orientacyjne wartości temperatury w końcu suwu napełniania (T

a

)

wynoszą:

310 do 350 K - dla silników czterosuwowych,
320 do 380 K - dla silników dwusuwowych.

Współczynnik napełnienia (

η

v

) określony jest stosunkiem masy świeżego ładunku

powietrza doprowadzonego do cylindra do masy ładunku odpowiadającej objętości
skokowej cylindra w normalnych warunkach otoczenia.

16

gdzie:

m

p

- masa świeżego ładunku powietrza,

m

o

- masa powietrza odpowiadająca objętości skokowej cylindra w normalnych

warunkach otoczenia,

m

1

- masa gazów w cylindrze po zakończeniu procesu napełniania,

m

r

- masa pozostałych spalin po ostatnim obiegu.

Po uporządkowaniu, w oparciu o równania gazowe:

Dla silników czterosuwowych wolnossących, zamiast parametrów doładowania (p

d

) i (T

d

)

należy podstawić parametry otoczenia (p

o

) i (T

o

).

Współczynnik napełnienia wyznaczony w oparciu o wyrażenie, w silnikach
dwusuwowych odnosi się do użytecznego skoku tłoka.
Współczynnik ten dla pełnego skoku tłoka wynosi:

ψ - stosunek objętości odpowiadającej wysokości okien do objętości skokowej
cylindra lub skoku tłoka.

Orientacyjne wartości współczynnika (

η

v

) dla silników okrętowych wynoszą:

0,80 do 0,90 - 4s, bez doładowania, wolnobieżne,
0,75 do 0,85 - 4s, bez doładowania szybkobieżne,
0,85 do 0,95 - 4s, z doładowaniem,
0,65 do 0,85 - 2s, (dla pełnego skoku tłoka).

Proces sprężania

Do parametrów określających proces sprężania należą: wykładnik politropy sprężania (n

1

),

ciśnienie (p

c

), temperatura (T

c

) w końcu sprężania oraz stopień sprężania (

ε

). Wychodząc z

definicji geometrycznego stopnia sprężania (

ε

):

Uwzględniając, że efektywny skok tłoka w silnikach dwusuwowych jest mniejszy od
skoku geometrycznego o wysokość okien, rzeczywisty stopień sprężania dla tego silnika

można wyznaczyć z wyrażenia:

17

Średnie wartości stopnia sprężania (

ε) w silnikach okrętowych z doładowaniem wynoszą:

10,5 do 18 - dla silników wolnoobrotowych,
12 do 18 - dla silników średnioobrotowych.

Proces sprężania przebiega przy stałej wymianie ciepła między ładunkiem znajdującym
się w cylindrze a ściankami komory cylindra i komory spalania, oraz przy stałym
przepływie ładunku przez nieszczelności (straty). Fakt ten sprawia, że proces nie
przebiega według adiabaty z wykładnikiem (

κ

), tylko według politropy o wykładniku (n).

W początkowym okresie temperatura świeżego powietrza jest niższa od temperatury
ścianek i ładunek jest podgrzewany. W tym okresie wykładnik politropy sprężania jest
większy niż wykładnik adiabaty n >

κ

Krzywe sprężania obiegu teoretycznego i rzeczywistego

W miarę wzrostu temperatury ładunku, różnica temperatur powietrza i ścianek maleje,
przepływ ciepła ustaje, a następnie zmienia kierunek. Z chwilą ustania wymiany ciepła
pomiędzy czynnikiem i ściankami, wykładnik politropy sprężania n =

κ.

Pod koniec sprężania zmienia się kierunek i przepływ ciepła odbywa się od czynnika do
ścianek, przy czym wykładnik politropy nadal maleje i zmienia się w czasie suwu
sprężania w granicach od l,5 w DMP do l.1 w GMP.
W obliczeniach przyjmuje się średnie wartości wykładnika politropy procesu sprężania:

n

1

= l,34 do 1,38 - dla silników wolnoobrotowych z tłokami

chłodzonymi,
n

1

= 1,38 do 1,42 - dla silników średnioobrotowych.

Korzystając z równania politropy sprężania między punktami a-c wykresu obiegu:

ciśnienie i temperaturę końca sprężania można wyznaczyć z zależności:

18

Według danych doświadczalnych średnie wartości ciśnienia (p

c

w [MPa]) i temperatury

(T

c

w [K]) wynoszą:

p

c

T

c

3,5 do 5,0

700 do 900 - w silnikach bez doładowania,

4,0 do 11,0

850 dół 100 - w silnikach z doładowaniem.

Wartość parametrów (p

c

) i (T

c

) zależy od takich czynników jak:

• prędkość obrotowa i obciążenia silnika,
• warunki chłodzenia,
• stan techniczny układu.

Przy wzroście prędkości obrotowej silnika zmniejsza się czas wymiany pomiędzy
ściankami cylindra i ładunkiem powietrza, a proces sprężania zbliża się do adiabaty i
wykładnik politropy (n

1

) rośnie. Spadkowi prędkości obrotowej towarzyszą: wzrost strat

ciepła sprężanego powietrza, zmniejszenie wykładnika politropy (n

1

) i zbliżanie się

procesu sprężania do przebiegu izotermicznego. Efektem jest obniżenie ciśnienia (p

c

) i

temperatury (T

c

) końca sprężania, co może utrudnić samozapłon paliwa.

Obniżenie obciążenia silnika powoduje zmniejszenie wartości średniego ciśnienia
indykowanego (p

i

), któremu towarzyszy obniżenie temperatury ścianek cylindra. Rośnie

zatem przepływ ciepła od sprężanego powietrza do ścianek cylindra i zmniejsza się
wykładnik politropy (n

1

).

Warunki chłodzenia charakteryzuje temperatura czynnika chłodzącego (wody) w
przestrzeniach chłodzenia. Obniżenie temperatury wody powoduje zmniejszenie
temperatury ścianek cylindra, wzrost strat chłodzenia i zmniejszenie wielkości (n

1

), (p

c

) i

(T

c

). W celu ograniczenia strat ciepła do ścianek, zaleca się podwyższenie temperatury

wody chłodzącej do wartości 65-75°C, a w silnikach nowych konstrukcji nawet do 90°C.

Pogorszenie stanu technicznego układu tłok-cylinder na skutek zużycia prowadzi do

pogorszenia szczelności komory spalania i zwiększenia strat przepływu przez
nieszczelności; straty ładunku rosną i parametry końca sprężania (p

c

) i (T

c

) oraz wykładnik

politropy (n

1

) przyjmują mniejsze wartości. Utrata szczelności ma istotny wpływ na

warunki samozapłonu przy rozruchu zimnego silnika. Aby zapewnić w takiej sytuacji
niezawodny rozruch należy podwyższyć parametry końca sprężania. Efekt taki można
uzyskać poprzez podniesienie temperatury wody chłodzącej lub zwiększenie prędkości
rozruchowej silnika (wyższe ciśnienie powietrza rozruchowego).

19

W celu zapewnienia odpowiedniej temperatury powietrza przy końcu sprężania,

umożliwiającej właściwy przebieg samozapłonu na małych obciążeniach, firma B&W
zaleca dla swoich silników, przy obciążeniach poniżej 0,35N

n

, podniesienie temperatury z

przedziału 35-45°C do wartości 65-70°C. Problem ten nabiera szczególnej wagi przy
rozruchu zimnego silnika. Duży przepływ ciepła do ścianek na skutek niskiej ich
temperatury i długiego czasu wymiany sprawia, że proces sprężania zbliża się do
przemiany izotermicznej (średnia wartość wykładnika n

1

= 1,2 do 1,25).

Stopień sprężania określa się na podstawie następujących przesłanek:

• sprężanie powietrza powinno być na tyle duże, aby temperatura ładunku umożliwiała

niezawodny samozapłon paliwa, przy czym przyjmuje się, że temperatura końca
sprężania powinna być nie niższa niż 577

÷627°C, a podczas rozruchu silnika nie niższa

niż 477

÷527°C. Warunek ten spełnia stopień sprężania 10,5÷11,0.

• zwiększenie stopnia sprężania korzystnie wpływa na wartość współczynnika

sprawności teoretycznej obiegu, szczególnie w przedziale 13

÷14.

Proces spalania

Paliwo i spalanie
Spalanie paliwa jest podstawowym procesem cyklu roboczego silnika, bowiem zachodzi w
nim przemiana energii chemicznej paliwa na energię cieplną, która następnie zamieniona
zostaje na pracę mechaniczną. Samozapłon i spalanie paliwa jest złożonym procesem
termochemicznym, w którym następuje proces utleniania cząstek paliwa z wydzieleniem
się ciepła. W silnikach z zapłonem samoczynnym spala się oleje napędowe i opałowe,
które zawierają:

- węgiel (C) - 84 do 88 %,
- wodór (H) - 11 do 14 %,
- siarkę (S) - 0,05 do 4 %,
- tlen (O) -0,05 do 3 %.

W oparciu o równania stechiometryczne można wyznaczyć teoretyczną ilość powietrza
potrzebną do spalenia l kg paliwa.

Odnosząc te wartości do powietrza oraz uwzględniając, że zawartość tlenu w powietrzu
wynosi 21% objętościowo i azotu 79%, otrzymamy teoretyczne zapotrzebowanie
powietrza do spalenia l kg paliwa:

20

W silniku o zapłonie samoczynnym, w odróżnieniu od silnika gaźnikowego, powietrze
doprowadzane jest bezpośrednio do cylindra, gdzie w połączeniu z paliwem powstaje
mieszanina palna. Powoduje to pewne trudności w organizacji mieszaniny paliwowo-
powietrznej i sprawia, że spalanie paliwa musi przebiegać z nadmiarem powietrza.
Wielkość tego nadmiaru określa współczynnik nadmiaru powietrza (

λ), który stanowi

stosunek rzeczywistej ilości powietrza doprowadzonego do spalenia l kg paliwa (L) do
teoretycznie potrzebnej (L

tp

).

Dla silników pracujących przy obciążeniu znamionowym wartość tego współczynnika
wynosi:

- 1,8

÷2,2 - w silnikach wolnoobrotowych,

- 1,7

÷2,0 - w silnikach średnio i szybkoobrotowych.

Wyższe wartości odnoszą się do silników z doładowaniem.

Silniki szybkoobrotowe mogą pracować z mniejszymi wartościami współczynnika (

λ), na

co wpływ ma średnica cylindra. W cylindrach o mniejszej średnicy można bowiem łatwiej
uzyskać jednorodną mieszaninę paliwowo-powietrzną niż w dużych. Niektóre silniki
szybkoobrotowe, wysoko obciążone, pracują ze współczynnikiem

λ=1,3÷1,4.

Mieszanina paliwowo-powietrzna i samozapłon

Mieszanina paliwowo-powietrzna w silnikach z zapłonem samoczynnym tworzy się w
końcu suwu sprężania, po doprowadzeniu paliwa do cylindra. Mieszanina nazywana jest
jednorodną wówczas, gdy paliwo rozproszone jest w powietrzu w taki sposób, że w
pobliżu każdej cząsteczki paliwa znajduje się jednakowa liczba cząsteczek tlenu. Do
uzyskania takiej mieszaniny konieczne jest uprzednie odparowanie paliwa ciekłego.
Wzajemne wymieszanie składowych mieszaniny następuje w wyniku mieszania i
wzajemnego przenikania się (dyfuzji) strumieni paliwa i powietrza w przepływie
burzliwym. Ilość gazów biorących udział w dyfuzji jest proporcjonalna do powierzchni
styku cząsteczek. Wymieszanie składników mieszaniny jest doskonałe, jeżeli objętości
mieszających się gazów są jednakowe.

W silnikach spalinowych tworzenie mieszaniny odbywa się przez rozpylanie ciekłego

paliwa w powietrzu znajdującym się w komorze spalania. W ten sposób uzyskuje się
mieszaninę niejednorodną, dwufazową składającą się z powietrza i kropli ciekłego paliwa.
W takiej mieszaninie paliwo odparowuje z powierzchni kropel i pary paliwa dyfundują w
otaczające powietrze. Koncentracja par stopniowo wyrównuje się i powstaje mieszanina
jednorodna, jeżeli czas w jakim ten proces zachodzi jest dostatecznie długi.

Prędkość odparowania paliwa jest proporcjonalna do powierzchni odparowania, napięcia

powierzchniowego oraz warunków przemieszczania się powietrza względem kropli
paliwa. Zwiększenie powierzchni parowania paliwa można uzyskać tylko poprzez
zmniejszenie średnicy kropel rozpylanego paliwa.

21

Powierzchnia parowania wszystkich kropli rośnie, bowiem odwrotnie proporcjonalnie do

ich średnicy.

Ciepło tracone na nagrzewanie paliwa pobierane jest z powietrza, dlatego podczas

odparowania paliwa temperatura mieszaniny nieznacznie spada.

Podczas wtrysku paliwa do cylindra powstają krople o różnej średnicy. Jakość rozpylania
ocenia się na podstawie średniej średnicy kropel, która dla określonego silnika
uwarunkowana jest ciśnieniem wtrysku i średnicą otworków rozpylacza.

Przygotowanie do spalania dawki paliwa podanej do cylindra, odbywa się w okresie

zwłoki samozapłonu, to znaczy od początku wtrysku do chwili wzrostu ciśnienia w
cylindrze wywołanego ciepłem wydzielającym się przy spalaniu. W tym okresie odbywa
się rozpylanie, podgrzewanie i odparowanie kropel paliwa oraz wymieszanie par z
powietrzem. W komorze spalania powstają pierwsze ogniska samozapłonu. Spalanie
rozprzestrzenia się w komorze spalania, na skutek przemieszczającego się frontu
płomienia. Wraz ze wzrostem temperatury ośrodka, procesy tworzenia mieszaniny są
przyspieszane i tworzą się nowe ogniska samozapłonu w innych miejscach komory
spalania.

Wpływ ciśnienia wtrysku na dokładność rozpylania paliwa

Końcowy etap spalania niejednorodnej mieszaniny stanowi dopalanie produktów spalania
niezupełnego w miarę dyfuzji tlenu z powietrza do stref bogatych w paliwo. Kompletność
tego etapu określa wskaźniki ekonomiczne silnika, jak również niezawodność pracy
zaworów wylotowych.

Prędkość spalania i odpowiadające mu zmiany ciśnienia w cylindrze zależą od wielu
czynników fizycznych i chemicznych, warunkujących proces tworzenia się mieszaniny
oraz przygotowanie jej do samozapłonu. Określają one również wskaźniki twardości pracy
silnika, takie jak:

• prędkość narastania ciśnienia - ∆p/∆φ
• współczynnik dynamiczności cyklu

δ

s

- ilość paliwa podana do cylindra do momentu samozapłonu,

δ - całkowita ilość paliwa podana do cylindra.

22

W silnikach wysoko obciążonych współczynnik D = 0,0 do 1,0
to znaczy, że cała dawka paliwa podawana jest do cylindra w okresie zwłoki samozapłonu.
Zakłada się, że twardość pracy silnika jest poprawna, gdy:

Mniejsze wartości dotyczą silników wolnobieżnych.

Zmiana stanu czynnika roboczego w okresie spalania

Podczas spalania czynnik roboczy zmienia swoje własności fizyczne i

termodynamiczne. Charakter tych zmian oddziaływuje na ekonomiczne i
niezawodnościowe wskaźniki pracy silnika. Z analizy termodynamicznej wynika, że
najlepsze wskaźniki ekonomiczne uzyskuje się przy spalaniu odbywającym się w okolicy
GMP, to znaczy w warunkach małych zmian objętości czynnika roboczego.
W procesie spalania można wyróżnić cztery okresy:

• opóźnienia samozapłonu,
• szybkiego spalania,
• spalania paliwa przy V= const,
• dopalania.

Zmiany ciśnienia i temperatury czynnika w okresie spalania

1. Okres opóźnienia samozapłonu (I) obejmuje przedział od początku wtrysku paliwa

(punkt l) do chwili wystąpienia samozapłonu pierwszych kropel paliwa (punkt 2). W
tym okresie następuje przekazywanie ciepła od świeżego ładunku do paliwa,
potrzebnego do odparowania wtryskiwanych kropel. Przyrost ciśnienia czynnika w
tym okresie jest spowolniony. Okres samozapłonu wyznacza się praktycznie z

23

rozwiniętego wykresu indykatorowego. Stanowi on przedział pomiędzy początkiem
wtrysku, to znaczy otwarciem wtryskiwacza i początkiem odchylenia linii spalania od
linii sprężania. Rzeczywisty okres zwłoki samozapłonu jest nieco mniejszy, ponieważ
pojawienie się pierwszych ognisk zapłonu nie powoduje znaczącego wzrostu ciśnienia
w cylindrze. W tym okresie do cylindra podawane jest około 30 do 40% całkowitej
dawki paliwa na cykl (w silnikach szybkoobrotowych 70 do 90%). Ciśnienie czynnika
roboczego w końcu zwłoki samozapłonu wynosi od 3,5 do 10 [MPa], a temperatura od
700 do 1100 [K].

2. Okres szybkiego spalania (II) obejmuje przedział od punktu (2) do (3), to znaczy do

momentu osiągnięcia przez ciśnienie w cylindrze maksimum. W tym okresie
występuje jednocześnie spalanie paliwa podanego do cylindra w okresie (I), jak
również częściowe spalanie paliwa podawanego w okresie (II). Na ogół kończy się
również w tym czasie wtrysk całkowitej dawki paliwa i wydziela się od 40 do 70%
ciepła uzyskiwanego przy spalaniu całej dawki paliwa. Dużą intensywność spalania
tłumaczy się tym, że w okresie przygotowawczym (zwłoki zapłonu), w komorze
spalania tworzy się duża ilość gorącej mieszaniny, która sprzyja rozprzestrzenianiu się
płomienia w całej objętości komory spalania. Intensywność spalania w tym okresie
charakteryzuje prędkość narastania ciśnienia.

3. Okres spalania paliwa przy stałej objętości (III) obejmuje przedział pomiędzy

punktami (3) i (4). Punkt (4) odpowiada na wykresie maksymalnej temperaturze
czynnika roboczego. Wyznacza się go w oparciu o wykres indykatorowy. Niekiedy
przedział (III) łączy się z przedziałem (IV). W początku okresu (III) lub pod koniec
(II) kończy się wtrysk paliwa, co sprzyja intensywnemu spalaniu dużej części dawki
paliwa. W okresie (III) wydziela się od 30 do 60% całkowitej ilości ciepła; rośnie
temperatura czynnika, przy jednoczesnym spadku jego ciśnienia (objętość komory
rośnie).

4. W okresie (IV) następuje dopalanie paliwa i produktów jego niepełnego spalania. W

silnikach z zapłonem samoczynnym, mimo wysokich wartości współczynnika
nadmiaru powietrza, gazy wylotowe zawieraj ą pewne ilości produktów niepełnego
spalania paliwa. Koniec tego okresu wyznacza punkt quasi adiabatyczny, w którym
ustaje przepływ ciepła pomiędzy czynnikiem i ścianką cylindra. Spalanie w tym
okresie powoduje obniżenie wskaźników ekonomicznych, wzrost temperatury gazów
wylotowych i temperatury zaworów wylotowych oraz koksowanie otworków
rozpylacza.

Uważa się, że najlepsze wskaźniki ekonomiczne uzyskuje silnik z zapłonem

samoczynnym, przy maksymalnym ciśnieniu czynnika występującym w granicach od 10
do 15 °OWK po GMP. Regulacja tego punktu możliwa jest poprzez zmianę kąta
wyprzedzenia wtrysku. Należy jednak mieć na uwadze, że przy większych kątach paliwo
wtryskiwane jest do czynnika o mniejszej temperaturze i ciśnieniu, co wydłuża okres
zwłoki samozapłonu. Równocześnie ze wzrostem liczby obrotów rośnie optymalny kąt
wyprzedzenia wtrysku.

24

Wpływ kąta wyprzedzenia wtrysku na przebieg ciśnienia spalania.

Korzystniejsze warunki spalania można uzyskać za pomocą zmiany organizacji

wtrysku paliwa do komory spalania, wykorzystując na przykład wtrysk stopniowany.
Podczas takiego wtrysku, paliwo podawane jest do cylindra w dwóch dawkach: małej,
początkowej dawce paliwa powodującej podczas spalania wzrost ciśnienia ładunku
podgrzanego w czasie sprężania, a następnie zasadniczej dawce paliwa, która spala się z
bardzo małą zwłoką samozapłonu w okresie wtrysku. Metoda ta, efektywna z uwagi na
umiarkowaną twardość pracy silnika, nie znalazła szerszego zastosowania.

Proces rozprężania

W silniku rzeczywistym proces rozprężania nie przebiega izentropowo, lecz według
politropy o wykładniku (n

2

). Przyczyną tego są:

• dopalanie się paliwa na linii rozprężania,
• straty ładunku przez nieszczelności,
• straty chłodzenia.

W cyklu obliczeniowym przyjmuje się, że proces rozprężania rozpoczyna się w

punkcie (y) wykresu i kończy w punkcie (b). Rzeczywisty koniec rozprężania następuje w
chwili otwarcia okien lub kanałów wylotowych. Rozpatrując kolejne fazy rozprężania
można stwierdzić, że w początkowym okresie ciepło doprowadzane jest do czynnika
(dopalanie paliwa), zaś wykładnik politropy (n

2

)jest mniejszy od wykładnika adiabaty (k) i

osiąga wartości mniejsze od jedności. Znaczący wpływ na przebieg tej fazy ma jakość
rozpylania paliwa w cylindrze i jego własności.

25

Proces wylotu spalin

W czasie procesu wylotu (wydechu) spaliny usuwane są z cylindra. Procesy wylotu w

silnikach cztero i dwusuwowych przebiegają w sposób odmienny.

Schemat procesu wylotu gazów w silnikach:
a) czterosuwowym, b) dwusuwowym

W silnikach czterosuwowych w procesie wylotu można wyróżnić trzy fazy:

1. w fazie I po otwarciu zaworu wylotowego (przed DMP) usuwane są gazy spalinowe z

cylindra na skutek różnicy ciśnienia w cylindrze i w kolektorze wylotowym,

2. w fazie II podczas ruchu tłoka od DMP ku GMP wypierane są gazy spalinowe przez

tłok do kanału wylotowego,

3. w fazie III podczas jednoczesnego otwarcia zaworów wylotowego i wlotowego w

rejonie GMP (przekrycie zaworów), występuje jednocześnie opróżnianie cylindra na
skutek dynamicznego działania słupa gazów przemieszczających się w kanale
wylotowym i napełnianie go świeżym powietrzem (przepłukanie).

W silniku dwusuwowym usuwanie spalin z cylindra i napełnianie go świeżym

powietrzem następuje jednocześnie pod wpływem działania świeżego ładunku powietrza
doprowadzanego pod zwiększonym ciśnieniem z kolektora do cylindra. Procesy te
charakteryzują się tym, że:

- przebiegają w końcu suwu rozprężania i przeciągają się na suw sprężania, zajmując

około 140 do 150 °OWK,

- do realizacji ich konieczne jest wstępne sprężanie powietrza do ciśnienia

przewyższającego ciśnienie gazów w kanale wylotowym, sterowanie procesami wymiany
ładunku wykonuje tłok, który steruje otwarciem i zamknięciem kanałów wlotowych i
wylotowych.

W procesie wydechu w silnikach dwusuwowych można wyróżnić następujące fazy:

1. fazę I, w której następuje swobodny wylot gazów, rozpoczynający się w chwili

otwarcia okna wylotowego (punkt b), a kończący się w chwili otwarcia okien
wlotowych (punkt d). Swobodny wylot spalin stanowi niewielki okres w stosunku do
całego wylotu. W czasie tego okresu ciśnienie w cylindrze szybko spada od wartości p

b

do p

d

, przy którym następuje przepłukanie cylindra;

2. fazę II obejmującą przepływ powietrza z kolektora wlotowego do cylindra i wypieranie

26

spalin świeżym ładunkiem. Faza ta rozpoczyna się w chwili otwarcia okien wlotowych
i kończy po ich zamknięciu. Przebiega ona przy w miarę stabilnym ciśnieniu
spełniającym warunek;

3. fazę III w której następuje strata ładunku, jeśli kanały wylotowe zamykane są później

niż kanały wlotowe (rozrząd szczelinowy).

Procesowi wylotu towarzyszą straty gazodynamiczne

∆p

g

.