3.Przepłukanie i napełnienie silników spalinowych - systemy rozrządu. 1)Pojęcie czasoprzekroju. Masę czynnika roboczego dopływającego do przestrzeni roboczej lub wypływających z niej spalin określa się zależnością: m=Vp [kg]; m-masa czynnika roboczego [kg], V-objętość czynnika roboczego [m^3], p-gęstość czynnika roboczego [kg/m^3]. Objętość czynnika roboczego V, przepływającego przez okna lub zawory, zależy od prędkości przepływu c [m/s], przekroju przelotowego okien lub zaworów / [m^2] i czasu trwania przepływu T [s]. 2)Prędkość przepływu czynnika roboczego przez zawory lub okna podczas procesu wymiany jest zmienna w czasie i dla danych warunków przepływu zależna od chwilowej różnicy ciśnień, warunkującej ten przepływ. Średnia prędkość dolotu powietrza do przestrzeni roboczej przez zawory dolotowe wynosi 50-80 m/s. Dolną prędkość dolotu powietrza ograniczają wymiary zaworów i warunki tworzenia się mieszanki palnej. Prędkość dolotu musi być dostatecznie duża, aby wywołać pożądane zawirowania powietrza, potrzebne do uzyskania prawidłowej makrostruktury mieszanki. Maksymalną prędkość dolotową powietrza ograniczają straty przepływu, wzrastające z kwa­dratem tej prędkości. Średnia prędkość wylotu spalin przez zawory wynosi 60-100 m/s. Dolna wartość prędkości, zależna od średnicy zaworu, jest ograniczona jedynie względami rozporządzalnego miejsca w głowicy, górna jest ograniczona wzrostem oporów przepływu. Średnia prędkość przelotu czynnika roboczego przez okna w tulei silnika dwusuwowego jest większa niż przez zawory i wynosi 80-120 m/s na dolocie i l00-150 m/s na wylocie. 3)Systemy płukania. W zależności od kierunku przepływu czynnika roboczego w przestrzeni roboczej rozróżnia się następujące zasadnicze systemy płukania: -poprzeczne, -zwrotne, -poprzeczno-zwrotne, -wzdłużne. 4.Wymiana czynnika roboczego. Z istoty działania silnika spalinowego wynika potrzeba okresowego napełniania przestrzeni roboczej silnika nowym ładunkiem (powietrzem) i usuwania zeń spalin po uprzednim cyklu roboczym. Zadanie to spełnia układ wymiany czynnika roboczego. Układ wymiany czynnika roboczego silnika dwusuwowego. Głównymi jego elementami są: turbosprężarka chłodnica powietrza, kolektor powietrza ładującego, zawory zwrotne, prze­strzenie podtłokowe i kolektor wylotowy. Inny sposób wymiany czynnika roboczego w silniku dwusuwowym Jest to system szczelinowo — zaworowy, charakteryzujący się jednokierunkowym, osiowym przepływem ładunku i wylotem spalin przez zawór wylotowy. Taki system wymiany ładunku jest obecnie powszechnie stosowany w wolnoobrotowych silnikach okrętowych dwusuwowych, naj­nowszej konstrukcji. W silniku czterosuwowym dolotem i wylotem czynnika roboczego sterują: zawór lub zawory wylotowe sterowane przez zespół napędowy składający się z przekładni napędowej wałka rozrządu wałka rozrządu, popychaczy i dźwigni zaworowych Podobnie jak w silnikach dwusuwowych powietrze jest wstępnie sprężane w tur­bosprężarce chłodzone w chłodnicy, skąd dopływa do kolektora powietrza ładującego. Współczynnikiem napełnienia ηV nazywa się stosunek: ηV=mPOW/mS. Jeśli wiec dotyczy silnika wolnossącego, to ciśn i temp ładunku będą równe ciśn i temp otoczenia, jeśli silnika doładowanego - to ciśn i temp ładunku przed zaworem dolotowym będą odpowiadały parametrom czynnika dostarczonego przez sprężarkę doładowującą za chłodnicą powietrza. Dzięki temu założeniu współczynnik napełnienia będzie również w silniku doładowanym mniejszy od jedności. Współczynnik ten ma bowiem charakteryzować skuteczność wykorzystania objętości skokowej cylindra w suwie napełniania. Na tę skuteczność wpływają: 1.długość przewodów dolotowych,2.wahania ciśnienia w czasie napełniania, 3.liczba i wielkość promieni, 4.jakość powierzchni wewnętrznej przewodów, 5.opór filtra powietrza, 6.opór zaworu dolotowego. Na ogół ηV<1, jedynie w przypadku dokładnego przepłukania komory spalania (Vk) może być η≥1. Wartości ηV: -sil. czterosuwowe: 0,85-0,95; -dwusuwowe z przepłukaniem wzdłużnym: 0,8-0,85; -dwusuwowe z przepłukaniem poprzeczno-zwrotnym: 0,7-0,8; -dwusuwowe z przepłukaniem zwrotnym: 0,65-0,7. Współczynnik nadmiaru powietrza jest to stosunek rzeczywistej ilości powietrza doprowadzonego do spalenia jednostki masy paliwa do teoretycznej ilości powietrza potrzebnej do spalenia tej dawki: λ=L/Lt. Zbyt mała wartość powoduje niezupełne bądź niecałkowite spalanie ze wszystkimi tego skutkami, jak pogorszenie sprawności ogólnej, wzrost temp spalin, nadmierne obciążenie cieplne zaworu wylotowego itd. Zbyt duża jego wartość powoduje, przy założeniu jednakowej mocy silnika, powiększenie wymiarów głównych, ogólnych oraz masy silnika. Wartość współczynnika nadmiaru powietrza: -wtrysk bezpośredni: 1,25-1,6; -komora wirowa: 1,2-1,5; -komora wstępna: (1,15)1,2-1,5. Systemy rozrządu: (RYS 2.) - rozrząd zaworowy, r. zaworowo-szczelinowy, r. szczelinowy. Zaworowy r. czynnika roboczego - silnik czterosuwowy. Składa się z: wzniosowych zaworów dolotowych i wylotowych oraz ich mechanizmu napędowego. Napęd zaworów zapewniają krzywki na wale rozrządu napędzane poprzez wał korbowy. Zaworowo-szczelinowy - silnik dwusuwowy z płukaniem jednokierunkowym. Powietrze ładujące napływa do przestrzeni roboczej przez okna dolotowe sterowane bezpośrednio przez tłok, a spaliny wylatują przez zawór (zawory) jak w czterosuwach. Szczelinowy - dwusuwy starej konstrukcji. Dolot i wylot sterowany tłokiem. Prosta konstrukcja.	2.Obiegi teoretyczne i porównawcze. Założenia obiegu teoretycznego: 1.czynnikiem występującym w obiegu teoretycznym jest gaz doskonały, czyli gaz Cv=const, Cp=const; 2.masa czynnika biorąca udział w obiegu jest stała; 3.sprężanie i rozprężanie odbywa się izentropowo; 4.cieplo zostaje dostarczone do czynnika przez izochoryczne lub izobaryczne ogrzewanie, odprowadzenie przez izochoryczne oziębianie, przy czym skład chemiczny czynnika nie ulega zmianom; 5.przemiany obiegu teoretycznego odbywają się nieskończenie powoli, wobec czego prędkości czynnika są równe zeru i nie występują straty przepływu. Najsprawniejszym teoretycznym obiegiem silnika cieplnego jest obieg Carnota składający się z dwóch izentrop sprężania i rozprężania i z dwóch izoterm odpowiadających doprowadzeniu i odprowadzeniu ciepła. Sprawnością teoretyczną ηt nazywa się stosunek ilości ciepła równoważonego pracy w obiegu teoretycznym do ilości ciepła doprowadzonego do czynnika w tym obiegu: ηt=Q/Q1=(Q1-Q2)/Q1=1-(Q2/Q1); ηt=1-([Cv(T5-T1)]/[Cv((T3-T2)+kCv(T4-T3)]). Sprawność teoretyczna obiegu Sabathe'a wzrasta ze wzrostem stopnia sprężania ε i ze wzrostem stopnia izochorycznego przyrostu ciśnienia φ, maleje natomiast ze wzrostem izobarycznego stopnia przyrostu objętości ρ. Średnim ciśnieniem teoretycznym obiegu pt nazywa się stosunek pracy teoretycznej Lt do przyrostu objętości ΔV=V1-V2, jakiej doznaje czynnik roboczy, wykonując prace Lt. pt=Lt/(V1-V2)=Lt/ ΔV. Obieg Sabathe'a z doładowaniem turbosprężarkowym. Na obieg roboczy silnika doładowanego turbosprężarką składają się przemiany i procesy zachodzące w : -sprężarce rotodynamicznej, -spalinowym silniku tłokowym, -turbinie spalinowej. Zgodnie z tymi założeniami obieg porównawczy silnika tak doładowanego składa się z (RYS1): wykresy pracy sprężarki sprężającej powietrze od ciśnienia p0=p1' do ciśnienia pd=p1; prace sprężania izentropowego przedstawia pole 1', 1, 7, 8; jest to praca ujemna, gdyż sprężanie wymaga doprowadzenia energii mechanicznej do sprężarki, -pola pracy cylindra roboczego silnika; -pola pracy turbiny spalinowej, w której spaliny rozprężają się od ciśnienia p5 do p5'=p0. Założenia obiegu porównawczego: 1.czynnikiem występującym w obiegu może być gaz półdoskonały, gaz rzeczywisty, mieszanina paliwowo-powietrzna lub nawet mieszanina paliwa, powietrza i spalin; 2.masa czynnika biorąca udział w obiegu jest stała, jednak mogą być uwzględnione straty w nieszczelnościach; 3.spreżanie i rozprężanie przebiegają w zasadzie politropowo, jednak może być przyjęte założenie, że wykładnik przemiany jest stały tylko dla określonych części przemian sprężania i rozprężania. Uwzględniać można zatem zmienność ciepła właściwego gazów; 4.cieplo jest dostarczone do czynnika przez spalanie, przebiegające przy stałej objętości lub/i przy stałym ciśnieniu. Uwzględnia się straty spalania niecałkowitego i niezupełnego, oraz przejmowanie ciepła przez ścianki komory; 5.uwzglednia się stratę pola pracy przypadającą na suwy napełnienia i wylotu, które przebiegają przy średnim stałym ciśnieniu; 6.uwzglednia się niecałkowite napełnienie cylindra wyrażane przez współczynnik napełnienia. Obiegi porównawcze mogą z dość dużą dokładnością odwzorować zjawiska zachodzące w rzeczywistym silniku. Uzyskana dokładność zależy od przyjętego wzorca w postaci obiegu teoretycznego, oraz od przyjętych założeń. 4. Podstawy tworzenia mieszaniny palnej. Od właściwości rozpylenia paliwa zależy sprawność ogólna silnika. Niewłaściwe rozpylenie wtryśniętego paliwa powoduje niedostateczne wymieszanie go z powietrzem co prowadzi do niecałkowitego spalania, dlatego musimy dobrze przygotować mieszaninę palną - odpowiednie rozdrobnienie dawki paliwa (cząstki możliwie małe i jednakowej średnicy) oraz równomierne rozprowadzenie paliwa w całym ładunku powietrza. Mieszaninę tą uzyskujemy: 1)przez rozpylenie paliwa w cylindrze za pomocą ukl wtryskowego (główna rola rozpylaczy wtryskiwacza). Uzyskujemy duża sprawność silnika, wadą jest konieczność stosowania precyzyjnej i skomplikowanej aparatury wtryskowej. 2)w wyniku zawirowań powietrza wywołanych odpowiednim ukształtowaniem kanału dolotowego i komory spalania. Umożliwia to stosowanie prostej instalacji wtryskowej i powoduje mniejsze obciążenia elementów silnika. Wywołuje dodatkowe straty związane z przepływem czynnika roboczego pogarszając sprawność silnika. Strumień paliwa wtryskiwanego z prędkością od 150 d0 200 m/s ulega rozdrobnieniu przyjmując kształt stożka. Na kształt rozpylanego paliwa i jego zasięg wpływają: -konstrukcja rozpylacza; -prędkość wypływu paliwa z dyszy rozpylacza; -ciśnienie powietrza w cylindrze; -lepkość paliwa. Dokładność rozpylonego paliwa określa średnia średnica jego cząstek, a jednorodność rozpylenia określa liczba cząstek o jednakowej średnicy. Równomierne rozpylenie paliwa w komorze spalania uzyskuje się wytworzeniem silnego zawirowania powietrza w czasie wtrysku paliwa.		6.Komory spalania. 1)otwarte: Z wtryskiem bezpośrednim stanowią wybrania w tłokach o różnych kształtach, położeniu, stanowiące do 80% całej objętości komory spalania. Paliwo jest wtryskiwane do ich wnętrza ulegając odpowiednim zawirowaniom i odparowaniu. Tworzenie mieszaniny paliwowej ma w tych komorach charakter przejściowo-przestrzenny. Zalety: -duża sprawność ogólna (małe jedn zużycie paliwa),-prosty kształt głowicy o względnie równomiernym obc cieplnym. Wady: -duże ciśnienia spalania 10-12 do 20MPa,- stosowanie dużych ciśnień wtrysku do100 MPa,- konieczność stosowania wtryskiwaczy wielootworowych dopasowanych do kom spalania, -staranne opracowanie kom spalania oraz kanału dolotowego w celu dobrego zawirowania, -większa emisja toksycznych składników spalania (zadymianie spalin) 2)wirowe: należą do komór dzielonych. Wtryskiwacz jest umieszczony w oddzielonej od przestrzeni nad tłokiem komorze zwanej komorą wirową. Kształt jest zwykle kulisty lub zbliżony do kuli, objętość jej stanowi 50-70% komory spalania. Istota polega na wytworzeniu silnego zawirowania ładunku zawartego w komorze podczas suwu sprężania wówczas zassane do cylindra powietrze jest przetłoczone do komory wirowej. Średnica kanały łączącego jest mała w stosunku do przekroju cylindra powietrze przepływające przez kanał osiąga znaczną prędkość i zawirowanie utrzymujące się przez znaczną część spalania. Zalety: - zdolność do pracy z dużymi prędkościami obrotowymi 5000 obr/min, -wsp nadmiaru powietrza λ=1,25-1,4,- zastosowanie prostych konstrukcji rozpylaczy (czopikowych), ciśnienie wtrysku 12-15 MPa,- spalanie paliw z mniejszą wartością liczby cetanowej, -skrócenie okresu opóźnienia zapłonu, -mniejsza zawartość toksyn w paliwach, -mniejsza hałaśliwość. Wady: - utrudniony rozruch silnika zimnego,- straty przy oddawaniu ciepła do ścianek głowicy, -straty przepływu do i z komory wirowej, -większe jednostkowe zużycie paliwa, -stosunkowo duże ciśnienie spalania 7-9 MPa, -złożona konstr głowicy. 3)wstępne: należą do komór dzielonych, zawirowanie zostaje tu wytworzone głównie w okresie spalania. Komora wst jest mniejsza od komory wirowej i obejmuje 20-30% objętości całej komory spalania. Wtryskiwacz jest umieszczony zawsze w komorze wstępnej, tak że cała dawka paliwa przeznaczona do spalenia przechodzi przez nią. Zachodzi tu zjawisko samorozpylenia paliwa, gdyż spalenie części dawki w komorze wstępnej i związany z tym duży przyrost ciśnienia służy przede wszystkim do rozpylenia reszty. Jakość rozpylenia i przemieszania głównej części dawki z powietrzem zależy od ciśnienia w komorze wstępnej, jej wielkości oraz przekroju, umiejscowienia otworów łączących komorę z przestrzenią nad tłokiem. Zalety: -praca przy dużych prędkościach obr 4500-500 obr/min, -praca z niewielkim wsp nadmiaru powietrza ok. 1,2-1,3, -zastosowanie prostych rozpylaczy czopikowych o niewielkim kącie wierzchołkowym oraz małych ciśnieniach wtrysku 10-12 MPa, -mniejsza zawartość toksycznych składników w spalinach, -zdolność do spalania paliw z małą wartością liczby cetanowej, - ciśnienie spalania 6-7 MPa, -mniejsza hałaśliwość spalania, -dobra praca w stanach nieustalonych. Wady : -stos powierzchni całkowitej kom spalania do całkowitej objętości jest duży co jest przyczyną strat ciepła i zmniejszenia sprawności ogólnej (jedn zł paliwa), -stosowanie świec rozruchowych, -przepływ ładunku pomiędzy przestrzenią komory wstępnej a przestrzenią nad tłokiem(straty przepływu, duże straty ciepła), -skomplikowana konstrukcja głowicy, obciążenie nierównomierne			5.Podstawy spalania. Ogólne uwagi o procesie spalania Paliwo używane w silnikach wysokoprężnych będące mieszaniną węglowodorów o różnych własnościach fizyko-chemicznych zapala się samo­czynnie w temperaturze niższej niż temperatura całkowitego odparowania. Z tego powodu konieczne jest mechaniczne wprowadzenie paliwa do komory spalania przez wtrysk za pomocą układu wtryskowego. Paliwo wtryśnięte do komory spalania rozpyla się, ogrzewa i odparowuje. W tym czasie dokonują się złożone procesy przedpłomienne, jak: rozkład termiczny paliwa i jego wstępne utlenianie, mieszanie się paliwa z powietrzem w wyniku czego powstaje zdolna do samozapłonu mieszanina paliwowo-powietrzna. W temperaturze 550-750°C i ciśnieniu 4/0-8/0 MPa panującym w komorze spalania w chwili wtrysku paliwa, jego najbardziej lotne frakcje odparowują i mieszają się z powietrzem. Frakcje te spalając się bezpośrednio inicjują zapłon i tworzenie się pośrednich produktów utleniania. Jeżeli wstępne utlenia­nie pozostałych węglowodorów zdąży zakończyć się powstaniem formaldehydu (HCHO) to spalanie będzie całkowite a jego produktami będą dwutlenek węgla CO2 i woda (HCHO + 02 => CO2 + H2O); nie nastąpi więc rozpad cząsteczek i tworzenie się ciężkich węglowodorów. Miejscowy niedobór tlenu objawi się obecnością w spalinach co najwyżej wolnego wodoru i tlenku węgla. Taki przebieg spalania byłby optymalny. W warunkach rzeczywistych tylko część dawki paliwa spala się w sposób podany wyżej pozostałe nie odparo­wane frakcje poddane wzrastającej temperaturze i ciśnieniu ulegają rozpadowi (krakingowi). Powstałe w wyniku krakingu lekkie frakcje spalają się całkowicie. Cząstki zbyt duże i ciężkie trudne do całkowitego spalenia wytrącają się z mieszaniny palnej tworząc osady smoliste i sadzę. Warunkiem całkowitego spalania wtryśniętej do komory spalania dawki paliwa jest jego szybkie ogrzanie i odpa­rowanie co wymaga optymalnego rozpylenia paliwa i dobrego wymieszania go z powietrzem. Fazy procesu spalania (RYS3) 1)Okres zwłoki zapłonu: Wtryśnięcie do komory spalania paliwa odparowuje kosztem ciepła pobranego od sprężonego powietrza, którego temp wynosi w tym czasie około 650-950°C. Spalanie paliwa rozpoczyna się po określonym czasie potrzebnym na powstanie mieszaniny poliwowo-powietrznej o odpowiednim stężeniu i temp. Czas zwłoki zapłonu τzz w silnikach okrętowych wynosi 0,01-0,005s. Dla obciążenia nominalnego przypada 20-35% dawki paliwa z całego cyklu. 2)Okres spalania gwałtownego i detonacyjnego: Trwa od początku zapłonu do chwili gdy krzywa zmian ciśnienia na rozwiniętym wykresie indykatorowym wyraźnie ulegnie przegięciu: gwałtowny wzrost ciśnienia w tym okresie spowodowany jest obecnością w komorze spalania drugiej dawki paliwa która wtryśnięta w czasie zwłoki zapłonu gwałtownie się spala. 3)Okres spalania izobarycznego: Ciśnienie spalin w tym okresie utrzymuje się na stałym poziomie. Spalanie odbywa się w miarę wtrysku paliwa do komory spalania, a kończy się zaraz po zamknięciu wtryskiwacza. 4)Okres dopalania: W miarę malejącej ilości tlenu maleje prędkość spalania. Występuje podczas rozprężania. Dopalanie trwa do 50-60° po GMP. Dopalanie jest źródłem znacznych strat energetycznych (spadku mocy i sprawności) ze względu na niewłaściwie rozpylane paliwo. Zwłoka wtrysku: okres wyrażony kątem OWK αzw lub czasem τzz narastania ciśnienia w przewodzie wys ciśnienia do wartości ciśnienia otwarcia wtryskiwacza.(wpływa nieszczelność przew wys ciśnienia, ściśliwość paliwa, przyrost objętości przewodów paliwowych- sprężyste odkształcanie, zjawiska falowe). Zwłoka zapłonu: wtryśnięte do komory spalania paliwo odparowuje kosztem ciepła pobieranego od spr powietrza(550-600 C) spalanie rozpoczyna się po określonym czasie, potrzebnym na powstanie mieszaniny paliwowej o odpowiednim stęż i temp okras ten ma początek przy ruchu iglicy wtryskiwacza(początek wtrysku paliwa pwp)-koniec początku zapłonu PZ mieszaniny paliwowej, nazywa się to zwłoką zapłonu ZZ (opóźnieniem samozapłonu) Proces powstania strugi paliwa: Paliwo wypływa z wtryskiwacz z dużą prędkością(150-300 m/s) do ośrodka o ciśnieniu(4-6,5Mpa) w skutek sił aerodynamicznych i oporów przepływu spr powietrza rozpyla się na krople o dużych średnicach przybierając kształt stożka. Jakość rozpylania paliwa ocenia się dokładnością rozpylania - wielkość średnic. Jednorodność rozpylania- stosunek masy kropel o jednakowych średnicach mKD do masy wtryśniętej dawki paliwa mW. Do oceny uwzględnia się długość strugi l i kąt rozpylenia β.	8. Wskaźniki pracy silnika Wskaźniki energetyczne: 1.prędkość obrotowa-prędkością tą określa się liczbę obrotów wału korbowego w jednostce czasu; 2.Moc silnika-praca wykonana przez czynnik roboczy nazywa się praca indykowana Li, a odpowiadająca tej pracy moc-mocą indykowaną Ni. Każdy silnik zużywa część wytwarzanej przez siebie energii mech na pokonanie oporów ruchu i napęd mechanizmów własnych. Prace indykowana, pomniejszona o prace na potrzeby własne nazywa się praca efektywna Le, a odpowiadającą jej moc-mocą efektywna Ne. Moc indykowana Ni jest mocą jaka w ustalonych warunkach pracy rozwija czynnik roboczy w przestrzeniach roboczych silnika. Moc indykowana wielocylindrowego silnika obl się jako sumę mocy indykowanej poszczególnych cylindrów, moc jednego cylindra N1i wynosi N1i=Li /1000τ [kW] gdzie Li-praca indykowana cylindra [J], τ-czas wykonania pracy Li [s]; Praca wykonana podczas jednego cyklu roboczego oblicza się wg zależności: Li=FtpiS=Vs­pi gdzie: Ft-powierzchnia tłoka [m^2] pi-średnie ciśn indykowane[N/m^2] [Pa] S-skok tłoka [m] Vs-objętość skokowa [m^3]; czas τ jednego cyklu roboczego wynosi: τ=60/ nz [s] gdzie: n-predk obrotowa [obr/min] z - liczba zapłonów w cylindrze na jeden obrót wału (z=1 dwusuw, z=½ czterosuw) 3.Cisn indykowane pi=Li/Vs [J/m^3] średnie cisn użyteczne pe=Le/Vs [Pa] Średnie ciśn indykowane: określa wzór: pi=Fi/f*li=hi/f [Pa, MPa] gdzie: Fi-pole wykresu indykatorowego [mm^2] f-skala indykatora [mm/Pa] li-długość wykresu ind [mm] hi=Fi/li, hi-średnia wysokość wykresu ind [mm], obl średniego cisn ind sprowadza się do wyznaczenia pola wykresu ind Fi lub jego średniej wysokości hi. Do pomiaru pola wykresu ind służy planimetr. Moc indykowana Pi=Li/t1d=pi Vsn/τ, Moc użyteczna Pe=Le/t1d=peVsn/τ [W], t1d=τ/n; (τ=1 dla dwusuwu; τ=2 dla czterosuwu) Moc ta zależy od skoku tłoka w cylindrze. Moc silnika jest suma mocy która generują poszczególne cylindry Pe=Σ^ii=1Pei sprawność ogólna ηe=Qe/Qd=Le/Qd; spr efekt jest to stosunek ilości ciepła użytecznego Qe równoważnego pracy użytecznej Le do ilości ciepła Qd doprowadzonego do silnika, niezbędnej do uzyskania pracy Le sprawność teoretyczna ηt=Lt/Qd sprawność mech ηm=Qe/Qi=Le/Li sprawność indykowana ηi=Qi/Q1=Li/Qd sprawność całkowita ηet=Le/Q1; ηet=ηt ηi ηm Jednostkowe zużycie paliwa b=B/Pe [kg/Ws] [g/kWh]; jednostkowe zużycie ciepła q=Q/Pe, czasowe zużycie paliwa B=m/t [kg/s] czasowe zużycie ciepła Q^∙=Q/t=m Wd/t=B Wd [ J/s = W]
9.Mechanika układu korbowego - koła zamachowe. Siła normalna N dociska tłok do gładzi cylindrowej i stanowi podstawę obliczania nośnej długości tłoka. Siła styczna T wywołuje zmienny moment obrotowy Mo: Mo=T*r=r*[Psin(α+β)/cosβ]. Często wartość siły stycznej odnosi się do jednego cm2 powierzchni tloka. Mając wykres indykatorowy łatwo jest ustalić wartości Pi oraz obliczyć średnią wartość siły stycznej T. pomijając siły bezwładności możemy napisać: tśr*2πs=pi*i*s, z tego wynika że tśr=pi*i/2π. Siła K ściska ramie wykorbienia K=s*cos(α+β). Przebieg sił stycznych w silniku wielocylindrowym jest jednakowy dla poszczególnych cylindrów, natomiast wypadkową siłę styczną można otrzymać przesuwając względem siebie wykresy poszczególnych cylindrów o kąt odpowiadający przestawieniu wykorbień, kolejności zapłonów i sumując odpowiednie rzędne. Wykres sił stycznych obok wykresu indykatorowego należy do najważniejszych krzywych charakteryzujących silnik. Daje on pogląd o równomierności pracy silnika i stanowi podstawę obliczenia koła zamachowego oraz sił wzbudzających drgania skrętne wału korbowego. Jak wynika z wykresów wypadkowa siła styczna niezależnie od liczby cylindrów nie pozostaje stała a więc prędkość kątowa wału korbowego nie jest również stała. W okresach w których następuje nadwyżka siły stycznej silnik będzie przyspieszał, natomiast w okresach których wykresy wypadkowej siły stycznej przebiega poniżej wartości średniej w skutek niedoboru momentu silnik będzie zwalniał. Stosunek różnicy maksymalnej i minimalnej prędkości obrotowej do średniej wartości tej prędkości nazywa się stopniem nierównomierności biegu silnika. Duży stopień nierównomierności biegu źle wpływa na trwałość zespołu napędu i wywołuje niepożądane drgania. Na nierównomierność biegu ma wpływ także kolejność zapłonu. Kolejność pracy powinna być tak rozłożona aby co jednakowa liczbę stopni OWK następował wtrysk do jednego z cylindrów. Zmniejszenie stopnia nierównomierności biegu uzyskuje się przez osadzenie na wale korbowym koła zamachowego, które wirując razem z nim stanowi akumulator energii mechanicznej. Dodatkowo aby zrównoważyć działanie sił masowych stosuje się przeciwciężary na ramieniach wykorbień po to, aby suma momentów sił masowych była równa zeru. Koła zamachowe. Pracę tłokowego silnika spalinowego, podobnie jak każdej maszyny tłokowej, cechuje zmienność momentu obrotowego w czasie. Nawet w ustalonych warunkach pracy silnika jego moment obrotowy w okresie jednego obrotu wału korbowego zmienia się w pewnym zakresie, nieraz dość rozległym. Z tego względu prędkość kątowa wału korbowego silnika tłokowego nie jest i nie może być nigdy jednostajna, a ruch obrotowy wału korbowego cechuje się określoną nierównomiernością, która odpowiednio do zastosowania silnika nie powinna przekraczać określonych granic. Elementem zabezpieczającym silnik przed nadmierną nierównomiernością obrotowego ruchu wału korbowego jest koło zamachowe. Działanie koła zamachowego polega na magazynowaniu nadwyżek energii przekazywanej na wał korbowy w okresach przyśpieszenia jego ruchu obrotowego oraz oddawaniu nagromadzonej energii w okresach opóźnienia obrotowego ruchu wału korbowego, gdy występuje niedobór przekazywanej na niego energii lub przerwy w jej przekazywaniu. Koła zamachowe wykonuje się najczęściej z żeliwa, a w dużych silnikach ze staliwa. W razie bardzo dużych prędkości obrotowych stosuje się koła zamachowe odkute ze stali. Koła zamachowe silników szybkoobrotowych i większości średnioobrotowych wykonuje się jako tarczowe. Koła takie mogą być wykonane z odlewanymi otworami w tarczy. Jeżeli średnica koła zamachowego przekracza jeden metr, to na ogół ze względów odlewniczych projektuje się jednolite koło ramionowe. Gdy wymiar średnicy przekracza dwa metry, to wówczas należy stosować koło ramionowe dzielone i skręcane śrubami w piaście i wieńcu. Jeżeli silnik jest wyposażony w obracarkę elektryczną, to na wieniec koła zamachowego nasadza się przez wciśnięcie lub zamocowuje śrubami wieniec zębaty, który współpracuje z kołem zębatym lub ślimakiem obracarki. Koło zamachowe jest przeważnie mocowane na zakończeniu wału korbowego ukształtowanego w postaci tarczy lub też osadza się je za pomocą wpustu na zakończeniu stożkowym.		13.Budowa elementów układu korbowego. Zadaniem układu tłokowo-korbowego jest zamiana ruchu posuwisto-zwrotnego (oscylacyjnego) tłoka na ruch obrotowy wału korbowego, wywołany działaniem momentu obrotowego, pochodzącego od sił gazowych działających na tłoki. Zależnie od sposobu równoważenia siły PN rozróżnia się dwa rodzaje układów tłokowo-korbowych: -układ tłokowo-korbowy silnika bezwodzikowego, -układ tłokowo-korbowy silnika wodzikowego. Tłoki silników okrętowych. 1)Zadania i warunki pracy. Główne zadania tłoka to szczelne, suwliwe zamknięcie przestrzeni roboczej cylindra (przy jednoczesnym zapobieganiu przedostawania się oleju z gładzi cylindrowej do komory spalania) oraz przeniesienie za pośrednictwem pozostałych elementów układu tłokowo-korbowego sił gazowych na wał korbowy. Tłoki silników bezwodzikowych przenoszą ponadto siły nacisków bocznych PN na ściany tulei cylindrowej. Tłoki silników dwusuwowych mogą współdziałać w procesie wymiany czynnika roboczego, sterując rozrządem powietrza i spalin (odsłanianie i przysłanianie okien do- i wylotu czynnika roboczego). Odpowiednio wyprofilowane denko tłoka współdziała w procesie płukania i powstawania mieszanki palnej. W silnikach dwusuwowych, z zamkniętą przestrzenią podtłokową, dolna część tłoka spełniać może zadanie tłoka sprężarki powietrza ładującego. Warunki pracy. Spośród wszystkich części silnika wysokoprężnego obciążenie tłoka jest największe i najbardziej różnorodne. Tłok obciążony jest mechanicznie siłami gazowymi i masowymi oraz cieplnie. Decydujące są tu naprężenia powodowane różnicą temperatur jego ścianek. Temperatura i jej rozkład na ściankach tłoka i w określonym stopniu naprężenia cieplne zależą od czynników konstrukcyjnych (materiału tłoka, sposobu jego chłodzenia itp.) i stopnia obciążenia silnika. Dla porównywalnych rozwiązań konstrukcyjnych i warunków obciążenia tłoki chłodzone olejem mają wyższe temperatury w porównaniu z tłokami zależ chłodzonymi wodą. Temperatura tłoka zależy także od przewodności cieplnej jego materiału. Rodzaje tłoków W zależności od sposobu prowadzenia tłoka rozróżnia się: -tłoki silników bezwodzikowych; -tłoki silników wodzikowych. Ze względu na stosowane materiały można wyróżnić: 1)Jednoczęściowe -tłoki żeliwne; -tłoki ze stopów aluminium. 2)składane: -tłoki staliwno-żeliwne, -tłoki stalowo-żeliwne. Według kryterium konstrukcyjnego rozróżnia się: -tłoki jednoczęściowe; -tłoki składane (wieloczęściowe); -tłoki krótkie (dotyczy silników wodzikowych); -tłoki długie; -tłoki ze sworzniem cylindrycznym; -tłoki ze sworzniem kulistym (dotyczy bezwodzikowych) Podczas pracy tłoki silników okrętowych nagrzewają się w takim stopniu, że wymagane jest ich chłodzenie. Do tego celu stosuje się olej smarowy lub wodę słodką. Czynniki te doprowadza się na wewnętrzną powierzchnię denka tłoka. Materiały. Materiał stosowany na tłoki powinien sprostać wielu różnorodnym, niekiedy sprzecznym wymaganiom. Najważniejsze z nich, w aspekcie technicznym to: -duża wytrzymałość (również w wysokich temperaturach); -duża odporność na powstawanie pęknięć pod wpływem zmiennych obciążeń cieplnych; -dobre własności cierne, co oznacza, między innymi, dużą odporność na ścieranie, małe skłonności do zacierania się, mały współczynnik tarcia; -mała rozszerzalność cieplna, taka by kształt tłoka nie zmieniał się pod wpływem temperatury, a luz tłoka w tulei w stanie zimnym był możliwie mały; -duża przewodność cieplna, gwarantująca dobre odprowadzanie ciepła, a w rezultacie utrzymująca niskie temperatury tłoka; -mały ciężar właściwy, warunkujący małe obciążenia mechaniczne układu tłokowego siłami masowymi; własność szczególnie pożądana przy silnikach średnio- i szybkoobrotowych; -dobre własności technologiczne, zwłaszcza lejność i obrabialność. Praktycznie nie ma materiału, który by spełniał zadowalająco wszystkie wymagania. Tak więc wybór materiału na tłok polega na kompromisowym uwzględnieniu wyżej wymienionych cech dla danego silnika i przewidywanych warunków jego pracy. Zasadniczymi materiałami, stosowanymi do budowy tłoków silników okrętowych są: żeliwo, staliwo lub stal i stopy aluminium. Żeliwa stosuje się do budowy tłoków silników średnio- i wolno­obrotowych, jednoczęściowych lub składanych. W tym ostatnim wypadku z żeliwa wykonuje się część kompresyjną tłoka lub prowadzącą. Żeliwo ma stosunkowo mały współczynnik rozszerzalności cieplnej, dzięki czemu tłoki mogą być pasowane w cylindrach z małymi luzami. Dodatnimi cechami żeliwa są dobre własności ślizgowe, duża odporność na ścieranie, wytrzymałość na duże obciążenia cieplne oraz zachowanie w wysokich temperaturach (do 400°C) dostatecznej wytrzymałości i twardości. Głównymi wadami żeliwa jako materiału na tłok są duży ciężar i mała przewodność cieplna, wskutek czego temperatura tłoków żeliwnych w czasie pracy jest wysoka. Żeliwo przeznaczone na budowę tłoków ma zwykle strukturę perlityczną, z siatką drobnego grafitu oraz następujący skład: C=3,2-3,65%, Si=2,1-2,5%, P+S=0,3%. Żeliwo przeznaczone na tłoki zawierać może także dodatki stopowe, nadające mu bardziej drobnoziarnistą strukturę i zwiększające jego wytrzymałość. Dodatkow stopowe stosuje się: Cr, Ni, Mo i Cu.		Staliwa i stale. Materiały te stosuje się głównie na głowice (denka) tłoków składanych. Stal (staliwo) ma dużą wytrzymałość. Z tego względu denka tłoków mogą być stosunkowo cienkie i dlatego mało obciążone cieplnie. W starszych konstrukcjach używano do tego celu staliwa o przeciętnym składzie chemicznym: C=1,5=1,7%, Mn=0,8=1%, Cr=0,1=0,15%, Cu=1-2%. Obecnie głowice tłoków, zwłaszcza o średnicy D>500 mm wykonuje się ze stali. Najczęściej stosowane są obecnie stale 40Mn4 znormalizowane, X45 Cr Si 9 ulepszona lub żaroodporna. Stopy aluminium, zwane również stopami lekkimi, przeznaczone są głównie na tłoki silników średnio- i szybkoobrotowych małej i średniej mocy, a obecnie również coraz powszechniej na tłoki silników o średnicy do 500mm. Materiał ten stosuje się także na część prowadzącą tłoków składanych. Mały ciężar właściwy stopów aluminium umożliwia stosowanie zwiększonych prędkości obrotowych silnika, bez obawy nadmiernego wzrostu sił masowych. Stopy aluminium mają mniejszy współczynnik tarcia niż żeliwo, natomiast duży współczynnik przewodności cieplnej. Do wad stopów lekkich należy zaliczyć duży współczynnik rozszerzalności cieplnej i spadek wytrzymałości w wyższych temperaturach. Stosunkowo mały współczynnik rozszerzalności cieplnej mają stopy aluminium ze znacznym dodatkiem krzemu, tzw. stopy Al-Si (Si do 26%), z których wykonuje się obecnie większość tłoków. Przykładowo podaje się skład jednego ze stopów Al-Si: Si=11-13%, Cu=0,8-1,5%, Ni=1,3%, pozostałe procenty odnoszą się do Al. Materiały wiązane i sposoby ulepszania własności materiałów. Żaden materiał na tłoki nie spełnia wymaganych żądań, obciążenia bowiem poszczególnych partii tłoka są znacznie zróżnicowane. W celu zwiększenia trwałości tłoka, strefy szczególnie obciążone - krawędzie denka, powierzchnie rowków itp. - wzmacnia się innym materiałem lub ulepsza lokalnie. Tłoki silników bezwodzikowych. Stosownie do spełnianych zadań przez tłok można w nim wyróżnić część uszczelniającą i prowadzącą. W części uszczelniającej, lekko stożkowej, zamkniętej od góry denkiem, znajdują się rowki pierścieni uszczelniających i rowek pierścienia olejowego. Rowki pierścieni olejowych mogą znajdować się także w dolnej partii części prowadzącej. Część prowadząca w górnej i dolnej partii jest cylindryczna, natomiast w partii piast przekroje poprzeczne są owalne. Długość części prowadzącej, w zależności od siły PN nacisku tłoka na gładź i nacisków dopuszczalnych pdop jest tak dobierana, aby nacisk p tłoka na gładź p=PN/Dl. nie przekraczał wartości dopuszczalnej dla danych materiałów i warunków pracy. Geometria tłoka. Podczas pracy tłok, a zwłaszcza jego część górna, ulega cieplnym i mechanicznym odkształceniom. Odkształcenia te zależą od pola temperatur tłoka oraz od sił obciążających tłok. Stożkowatość części uszczelniającej i owalność części prowadzącej są uwarunkowane przyrostem termicznym wymiarów tłoka. Kształt tłoka w stanie zimnym musi być tak dobrany, aby w czasie pracy, po nagrzaniu się i odkształceniu, osiągnął on wymiary regularnego walca. Na rozkład temperatury wzdłuż tworzącej tłoka w płaszczyźnie osi sworznia dodatkowy wpływ wywiera ciepło równoważne stratom tarcia w łożysku sworzniowym. Denka tłoków przejmują naciski spalin oraz odprowadzają ciepło do pierścieni tłokowych. Denka tłoków silników średnich, dużych i wielkich mocy są użebrowane od strony wewnętrznej. Żebra zwiększają wytrzymałość denka i polepszają jego chłodzenie, wskutek czego denka te mają mniejszą grubość. Małe grubości denek są korzystne ze względu na naprężenia cieplne, których wartość jest odwrotnie proporcjonalna do grubości ścianki denka. Kształt denek zależy od rodzaju silnika (2- lub 4-suwowy), kształtu komory spalania oraz zadań, jakie tłok spełnia w procesie wymiany ładunku i tworzenia mieszanki palnej. Różnorodne kształty mają zwłaszcza denka tłoków silników 2-suwowych ze względu na współudział tłoka w procesie wymiany ładunku. Rowki pierścieniowe, wytoczone w części uszczelniającej tłoka, służą do osadzenia i prowadzenia pierścieni uszczelniających. W tej części tłoka może się także znajdować rowek pierścienia olejowego. Jeśli tłok ma dwa pierścienie olejowe to jeden lub oba mogą być zakładane w rowkach wytoczonych w dolnej partii części prowadzącej. Pierwszy rowek pierścienia uszczelniającego znajduje się poza strefą denka, poniżej wewnętrznej powierzchni. Rozwiązanie to chroni rowek i znajdujący się w nim pierścień przed nadmiernym nagrzewaniem się od denka tłoka. W tłokach szczególnie obciążonych cieplnie stosuje się niekiedy szczelinowe rowki stanowiące barierę cieplną dla górnego pierścienia. Utrzymanie podczas pracy temperatury pierwszego pierścienia uszczelniającego poniżej określonej wartości, zwykle <200-230°C, zapobiega koksowaniu paliwa i oleju w szczelinie między rowkiem a pierścieniem, a tym samym unieruchomieniu pierścienia w rowku. Rowki pierścieni tłokowych mają zwykle przekrój prostokątny, ale spotyka się również rowki o przekroju trapezowym i półokrągłym.	1.Zasada działania, klasyfikacja i ogólna budowa silników spalinowych. Podział silników 1.Ze względu na liczbę suwów przypadających na jeden cykl roboczy: -dwusuwowe; -czterosuwowe 2.Ze względu na kierunek nacisku czynnika roboczego na tłok rozróżnia się: -silniki jednostronnego działania; -silniki dwustronnego działania W silnikach jednostronnego działania proces roboczy odbywa się po jednej stro­nie tłoka, w silnikach dwustronnego działania po obu jego stronach. Zwiększe­nie mocy z cylindra - zasadniczy cel budowania silników dwustronnego. 3.Ze względu na prędkość obrotową wału korbowego: -wolnoobrotowe (70-240) obr/min, -średnioobrotowe (240-1200) obr/min, -szybkoobrotowe(1200-2500) obr/min 4.Ze względu na średnią pracę prędkości tłoka: -wolnobieżne Cśr<7m/s; -silniki średniobieżne 7<Cśr<10m/s, -silniki szybkobieżne 10<Cśr 15 m/s. Średnią prędkość tłoka oblicza się według wzoru Cśr=Sn/30[m/s] S- skok tłoka, n- prędkość obrotowa. 5.Ze względu na moc rozwijaną z cylindra silniki dzieli się na: -silniki małej mocy do 25 kW/cyl, -silniki średniej mocy do 500 kW/cyl, -silniki dużej mocy do 2000 kW/cyl, -silniki wielkiej mocy ponad 2000 kW/cyl. 6.Ze względu na posoby prowadzenia tłoków a)bezwodzikowym; b)wodzikowym1.tłok; 2.wał korbowy, 3.korbowód, 4.tuleja cylindrowa, 5.wodzik; 6.prowadnica wodzika. 7.Ze względu na nawrotność rozróżnia się: -silniki nienawrotne, o jednym kierunku obrotów w „prawo" lub w „lewo"; za prawoobrotowy, -silniki nawrotne mogące obracać się w obu kierunkach; nawrotność jest cechą charakterystyczną silników okrętowych współpracujących ze śrubą napędową o stałym skoku. 8.Zastosowanie silników okrętowych: -dla napędu głównego bezpośredniego: dwusuwowy silnik doładowany, wolnoobrotowy, rzędowy (wodzikowy jednostronnego działania) nawrotny (jeżeli współpracuje ze śrubą napę­dową o stałym skoku) lub nienawrotny gdy współdziała ze śrubą napę­dową o skoku nastawnym; moc z cylindra, zależna od wielkości i szybkości statku, może wynosić od 350-4000 kW, a średnice cylindra 350-1060 mm; -dla napędu głównego przekładniowego: czterosuwowy silnik doładowany, średnioobrotowy, o układzie rzędo­wym lub widlastym, bezwodzikowy, jednostronnego działania, niena­wrotny, o mocy z cylindra 150-1300 kW i średnicy cylindra 250-500 mm; -dla napędu zespołów prądotwórczych: silniki stosowane do napędu zespołów prądotwórczych są konstrukcyj­nie podobne do silników napędu głównego przekładniowego/ pracują jednak w większym zakresie prędkości obrotowej (500-i-1200 obr/min), rozwijają moc 20-i-140 kW/cyl, a średnice ich cylindrów wynoszą 100-250 mm; -silniki pomocnicze: ze względu na różnorodność zastosowań i rozwiązań konstrukcyjnych silników tej grupy trudno wyróżnić reprezentatywny typ silnika. Silniki te cechuje maksymalna prostota konstrukcji, niezawodność i małe moce. a) silnik napędu bezpośredniego; b) silnik napędu przekładniowego; c) silnik zespołu prądotwórczego; d)silnik zespołu awaryjnego

---