1.

Obiegi termodynamiczne silnika spalinowego (teoretyczne i porównawcze).
Definicje. Charakterystyka obiegu ................

W celu przedstawienia idealnego przebiegu zachodzącej w silniku przemiany energii cieplnej
w energię mechaniczną stosuje się tzw. obiegi teoretyczne. Znane są trzy obiegi
teoretyczne silników spalinowych, a mianowicie:



obieg z doprowadzeniem ciepła w stałej objętości, zwany obiegiem Otto (rys. a);



obieg z doprowadzeniem ciepła pod stałym ciśnieniem, zwany obiegiem Diesla (rys.
b);



obieg z doprowadzeniem ciepła w stałej objętości, a następnie pod stałym
ciśnieniem, zwany obiegiem mieszanym (obieg Sabathe – rys. c).

Przy rozpatrywaniu obiegów teoretycznych posługujemy się następującymi założeniami
upraszczającymi:



Podczas obiegu i

lość czynnika wypełniającego cylinder silnika nie ulega zmianie.

Należy przez to rozumieć, że napełnianiu i opróżnianiu cylindra oraz sprężaniu i
rozprężaniu czynnika nie towarzyszą żadne straty.



Sprężanie i rozprężanie czynnika odbywa się adiabatycznie, tj. bez wymiany ciepła
między czynnikiem a ściankami cylindra.



Ciepło jest dostarczane do czynnika nie przez spalanie paliwa, lecz przez
izochoryczne lub izobaryczne podgrzewanie. Skład chemiczny czynnika nie ulega
przy tym zmianie. Podobnie odprowadzanie

ciepła polega na izochorycznym

oziębianiu gazu.



Ciepło właściwe czynnika jest stałe.



Wszystkie przemiany obiegu teoretycznego odbywają się nieskończenie powoli,
wobec czego prędkość przepływu czynnika jest równa zeru, a więc nie występują
straty przepływu.

Obiegi teoretyczne

, przyjmowane jako obiegi porównawcze pracy silników spalinowych, są

bardzo uproszczonymi schematami rzeczywistych obiegów termodynamicznych.
Uwzględniają one bowiem tylko straty powodowane koniecznością odprowadzenia z obiegu
części ciepła do tzw. dolnego źródła.

Obiegi porównawcze sporządza się w oparciu o te same założenia i wzory
termodynamiczne co obiegi teoretyczne. W obiegach porównawczych czynnikiem roboczym
jest mieszanina gazów rzeczywistych, których skład chemiczny i ciepło właściwe ulegają
ciągłym zmianom w czasie trwania obiegu, między czynnikiem roboczym a ściankami
cylindra oraz głowicą ma miejsce wymiana ciepła.

2.

Sprawności silnika spalinowego. Definicja. Dyskusja.

Sprawność teoretyczna jako stosunek ilości ciepła Q zamienionego na pracę w obiegu
porównawczym do ilości ciepła Q

1

.

Sprawność indykowana jako stosunek ilości ciepła Qi zamienionego na pracę indykowaną w
rzec

zywistym obiegu pracy do ilości ciepła Q1 doprowadzonego do czynnika w tym obiegu.

Sprawność mechaniczna jako stosunek mocy efektywnej do mocy indykowanej

Sprawność ogólna (efektywna) określająca wszystkie straty w silnika

3.

Charakterystyka wskaźników pracy silnika.

Wskaźnikami pracy silnika są wielkości liczbowe charakteryzujące Pracę silnika pod
względem mocy, prędkości Obrotowej oraz sprawności, główne wskaźniki to:

p

e

(MPa)

–średnie ciśnienie użyteczne - jest to wielkość obliczeniowa do precyzyjnego jej

obliczani

a jest potrzebna znajomość wartości momentu obrotowego oraz pracy wykonanej

przez ten moment. Średnie ciśnienie użyteczne to takie teoretyczne stałe ciśnienie działające
na tłok w czasie 1 suwu pracy która wykonuje pracę równoznaczną pracy momentu
obrotowe

go w czasie 1 pełnego obiegu silnika

p

i

-

średnie ciśnienie indykowane - ,jest to takie ciśnienie zastępcze (obliczeniowe) gazów na

tłok, które - będąc stałe podczas całego rozprężania - wykonałoby taką samą pracę, jak
zmienne ciśnienie rzeczywiście działające na tłok w ciągu jednego obiegu pracy .

n (Obr/min)-

prędkość obrotowa- oznacza liczbę obrotów wału korbowego silnika w

jednostce czasu.

N

e

(W/t)-moc - stosunek wykonywanej pracy do czasu jej wykonania.,

M

o

-(Nm

) średni moment obrotowy – jest wielkością mierzoną w wale korbowym. W czasie

jednego cyklu pracy wartość momentu obrotowego zmienia się w sposób wyraźny i zależy
od liczby cylindrów silnika. Aby wyrównać te różnice stosuje się koło zamachowe.

Pojemność skokowa (dla silników tłokowych) - zsumowana różnica pomiędzy maksymalną a
minimalną objętością każdego z cylindrów w silniku spalinowym wyrażana w centymetrach
sześciennych (cm³, ccm).

Stopień sprężania (dla silników tłokowych) - stosunek przestrzeni nad tłokiem w końcowej
fazie ssania do przestrzeni nad tłokiem w końcowej fazie sprężania.

Moc silnika - stosunek wykonywanej pracy do czasu jej wykonania.

4.

Siły działające w układzie korbowo-tłokowym. Sposoby zmniejszenie
bezwładności pochodzących od sił gazowych.

Siły gazowe – powstają w wyniku działania ciśnienia gazów na denko tłoka. Siły ciśnienia
gazów – ciśnienie czynnika roboczego tj. mieszanki palnej lub spalin działające do strony
głowicy między innymi na denko tłoka co powoduje jego przesunięcie. Siły gazowe zmieniają
swoją wartości swoją wartość zgodnie z przebiegiem pracy silnika tj. proporcjonalnie do
chwilowej wartości ciśnienia w cylindrze.

Siły bezwładności – należy omówić rozkład mas. Masy dzielimy na masy

Masa mt

– masa całego tłoka

Masa mw

– masa czopa korbowego

Sposoby wyrównoważenia sił w silniku
Projektowanie silnika

z odpowiednią liczbą cylindrów oraz odpowiednio dobranymi kątami

rozstawienia wykorbień wału korbowego (w niektórych tak zaprojektowanych układach siły
bez

władności i powstałe od nich momenty znoszą się wzajemnie). Osadzanie

przeciwciężarów na wykorbieniach wału korbowego (wyrównoważenie sił bezwładności i ich

momentów – koła masowe) Umieszczanie w silniku dodatkowych wałków
wyrównoważających (możliwość prawie całkowitego wyrównoważenia silnika)

5. Bilans energetyczny silnika spalinowego.

Bilans energetyczny silnika spalinowego jest to 100% energii dostarczonej do silnika.

Wykres Sankeya

6.

Zasada działania silnika czterosuwowego:
a) o zapłonie iskrowym,

Suw ssania

Tłok przesuwa się w dół z górnego (GMP) do dolnego martwego punktu (DMP) wytwarzając
we wnętrzu cylindra podciśnienie. W tym czasie zawór ssawny jest otwarty, dzięki temu z
kanału dolotowego, znajdującego się za zamykającym go zaworem ssącym, wciągnięta
zostaje z układu dolotowego silnika (gaźnik, wtrysk jedno- lub wielopunktowy) mieszanka
paliwowo-

powietrzna (lub w przypadku wtrysku bezpośredniego zostaje zassane samo

świeże powietrze, np. silniki typu FSI lub Diesla). Trafia ona do wnętrza cylindra pomiędzy
tłok a głowicę cylindra. Kiedy tylko tłok przekracza DMP, zawór ssący zostaje zamknięty.

Suw

sprężania

Tłok przemieszcza się w górę cylindra ściskając (czyli sprężając) mieszankę paliwowo-
powietrzną. Oba zawory (ssawny i wydechowy) są zamknięte. Sprężanie następuje pod
znacznym ciśnieniem do (zwykle) mniej więcej jednej dziesiątej początkowej objętości
mieszanki. Ale zanim osiągnie minimalną objętość (na 1-2 milimetry – lub inaczej – na ok. 5
stopni obrotu wału korbowego, zanim tłok osiągnie GMP), następuje zapłon. Celem jest
doprowadzenie do spalenia całej mieszanki w chwili, gdy tłok przekroczył GMP i może
zostać odepchnięty przez rozprężające się gazy spalinowe rozpoczynające suw pracy.

Suw pracy

I

skra elektryczna świecy zapala sprężoną mieszankę; powstałe gazy rozprężając się pchają

tłok w dół; osadzone na korbowodzie koło zamachowe magazynuje energię uwolnioną w tym
suwie powodując, że nie zwalnia on swojego ruchu,

Suw wydechu

Jeszcze zanim tłok osiągnie DMP, otwarty zostaje zawór wydechowy i wciąż jeszcze nie do
końca rozprężone gazy spalinowe mogą opuścić cylinder przez układ wydechowy.
Przemieszczający się w górę tłok aż do osiągnięcia GMP, gdy zawór wydechowy jest
otwarty, wypycha z cylindra resztę gazów, a po osiągnięciu GMP następuje tzw. "wahnięcie",
czyli z

amknięcie zaworu wydechowego a otwarcie zaworu ssącego i cykl rozpoczyna się od

początku.

b) o zapłonie samoczynnym.

Ssanie

Do cylindra

, w wyniku przesuwania się tłoka i wystąpienia dzięki temu podciśnienia,

zasysane jest z otoczenia czyste powietrze

. Suw ssania kończy się zamknięciem zaworu

ssącego

Sprężanie

Zassane do cylindra powietrze (o temperaturze

zbliżonej do temperatury otoczenia) jest

następnie sprężane w wyniku ruchu tłoka w stronę głowicy przy zamkniętych zaworach.
Podczas sprężania rośnie intensywnie temperatura powietrza do bardzo wysokiej wartości.

Praca

Temperatura powietrza pod koniec sprężania jest tak wysoka, że możliwy jest zapłon
wtryśniętej dawki paliwa do przestrzeni nad tłokiem znajdującym się w pobliżu górnego
martwego położenia. Paliwo wtryskiwane jest pod wysokim ciśnieniem (zob. hydrauliczny
system wtrysku paliwa

), dzięki czemu uzyskuje się dobre rozpylenie paliwa. W wyniku

spalania

silnie rośnie temperatura gazu. Spalanie rozpoczyna się, gdy tłok znajduje się w

pobliżu górnego położenia zwrotnego tłoka. Jest to początek ekspansji czynnika roboczego i
wykonywania pracy. Początkowo, wraz ze wzrostem temperatury, rośnie także ciśnienie
czynnika

, lecz wzrost prędkości poruszania się tłoka powoduje, że ciśnienie zaczyna maleć,

a rośnie objętość właściwa gazu. Spalanie kończy się jeszcze w czasie ruchu tłoka w stronę
dolnego martwego położenia.

Wydech

Gdy tłok znajduje się w pobliżu dolnego martwego położenia, następuje otwarcie zaworu
wylotowego. Ponieważ ciśnienie gazu w cylindrze jest wyższe od ciśnienia otoczenia,
następuje wylot gazu do otoczenia. Zawór ten jest otwarty także podczas ruchu tłoka w
kierunku głowicy i prawie wszystkie gazy spalinowe zostają wydalone z cylindra.

Cykl obejmuje dwa obroty wału korbowego przypadające na jeden cykl pracy, czyli silnik
czterosuwowy to silnik, którego tłok wykonuje cztery ruchy posuwisto-zwrotne w jednym
cyklu roboczym.

7.

Scharakteryzuj systemy zasilania paliwem silników spalinowych:
a) o zapłonie iskrowym,

W

silnikach o zapłonie iskrowym można podzielić układy pod względem rodzaju i

rozmieszczenia wtryskiwaczy paliwa:



wtrysk jednopunktowy (SPI - Single Point Injection, CPI - Central Port Injection) -
jeden wtryskiwacz umieszczony w kolektorze dostarcza paliwo dla wszystkich
cylindrów,



wtrysk wielopunktowy (MPI - Multi Point Injection) -

każdy cylinder ma osobny

wtryskiwacz, umieszczony w kolektorze, przed zaworem dolotowym,



wtrysk bezpośredni (DI - Direct Injection) - wtryskiwacz umieszczony jest w cylindrze.

Ze względu na sterowanie wieloma wtryskiwaczami w układzie MPI rozróżnia się
rozwiązania:



sekwencyjne (SFI - sequential fuel injection, SPFI, SEFI) -

każdy wtryskiwacz jest

sterowany niezależnie i ma niezależnie wyliczany moment zadziałania, czasem też
dawkę paliwa, typowo dla każdego cylindra oddzielnie



grupowe (batched) -

wtryskiwacze połączone są grupami i sterowane zależnie, układ

wylicza dawkę dla "uśrednionego" cylindra czy kolektora (np. popularne starsze
układy Forda EECIV z rodzaju MPI mają tylko dwie grupy dla silników V6 i V8,
"prawą" i "lewą")



wspólne - obecnie nieużywane, układ MPI jest sterowany wspólnie, jak pojedynczy
układ SPI, tyle że z wieloma wtryskiwaczami.

b) o zapłonie samoczynnym.

Common rail -

pompa wytwarza cały czas ciśnienie, akumulator ciśnienia wyrównuje

ciśnienie, zaś wtryskiwacze otwierane są elektronicznie. W systemie tym wtrysk odbywa się
pod znacznie wyższym ciśnieniem (nawet 10 razy wyższym niż ma to miejsce w klasycznych
układach wtryskowych).

Silnik wysokoprężny z wtryskiem bezpośrednim to tłokowy silnik spalinowy, konstrukcyjna
odmiana

silnika wysokoprężnego w którym paliwo jest podawane bezpośrednio do cylindra.

Inna równoznaczna nazwa (rzadko już spotykana) to silnik z niedzieloną komorą spalania.

Silnik wysokopr

ężny z wtryskiem pośrednim to tłokowy silnik spalinowy, konstrukcyjna

odmiana

silnika wysokoprężnego w którym paliwo jest podawane do komory wstępnej (lub

komory wirowej

) będącej integralną częścią głowicy silnika. Inna równoznaczna nazwa

(rzadko już spotykana) to silnik z dzieloną komorą spalania.

8. Charakterystyka emisji substancji szkodliwych dla:

a) o zapłonie iskrowym,

Tlenek węgla (CO)

Jest produktem niedokończonego procesu spalania węgla (C), w komorze spalania silnika
przy ograniczonej ilości powietrza. Jest gazem silnie trującym, bezbarwnym i bezwonnym,
którego stężenie w spalinach może przekroczyć poziom nawet 10%. Wysokie wartości (CO)
wskazują na zbyt bogatą mieszankę paliwowo-powietrzną. W pojazdach posiadających
katalizator tlenek węgla (CO) utlenia się przechodząc w dwutlenek węgla (CO

2

) co w

konsekwencji prowadzi do

zmniejszenia emisji tlenku węgla w spalinach.

Węglowodory (HC)

Są to nie spalone lub częściowo spalone cząsteczki paliwa- związki szczególnie trujące
o bardzo negatywnym działaniu na organizm człowieka. Oprócz rury wydechowej źródłem
węglowodorów w samochodzie są też skrzynia korbowa silnika i zbiornik paliwa. W
pojazdach posiadających katalizator utlenia on zawarte w spalinach węglowodory na
dwutlenek węgla (CO2) i parę wodną (H2O).

Tlenki azotu (NOx)

Wielkość emisji tlenków azotu zależy od ciśnień i szczytowych temperatur (ponad 1800oC)
podczas procesu spalania w komorze silnika. Zaliczane są one do najbardziej toksycznych
gazów spalinowych. W pojazdach posiadających katalizator następuje redukcja tlenków
azotu zawartych w spalinach-

czyli odłączanie tlenu od tlenków azotu i uzyskanie czystego

azotu (N2).

Ołów – pomimo benzyn bezołowiowych, ołów jest jednym ze składników gazów
wydechowych.

Pyły, ozon, platyna, tlenki siarki.
b) o zapłonie samoczynnym

Tlenki azotu (NOx) (jak w ZI)

Sadza, tlenek węgla. Jak w ZI.

9.

Współczynnik składu mieszaniny palnej. Definicja oraz dyskusja.

Inaczej mieszanka paliwowo-

powietrzna. Jest to mieszanka paliwa gazowego lub ciekłego z

powietrzem, o składzie zapewniającym jej spalenie w warunkach pracy silnika spalinowego.
Wielkością charakterystyczną mieszanki palnej jest współczynnik nadmiaru powietrza m =
L/Lt (zwany także współczynnikiem składu mieszanki), gdzie:

L - masa powietrza

w mieszance palnej przypadająca na jednostkę masy paliwa,

Lt -

masa powietrza teoretycznie potrzebna do zupełnego spalenia tej samej masy paliwa

Rozróżnia się mieszankę palną teoretyczną (m = 1), ubogą (m > 1) i bogatą (m < 1). Skład
mieszanki wpływa na podstawowe parametry pracy silnika, takie jak średnie ciśnienie
użyteczne p oraz jednostkowe zużycie paliwa g.

10.

Sprawność ogólna silnika. Definicja i dyskusja.

Sprawność ogólna (efektywna) określająca wszystkie straty w silniku.

Jest miarą wykorzystywania energii zawartej w paliwie. Określa skuteczność zamiany energii
cieplnej zawartej w paliwie na energię mechaniczną oddawaną przez silnik odbiornikowi
mocy. Sprawnością ogólną nazywamy stosunek ilości ciepła użytecznego Q

e

do ilości ciepła

Q

D

doprowadzonego do czynnika w rzeczywistym obiegu pracy.

η

e

=Q

e

/Q

D

η

e

=η

c

*η

m

=η

t

*η

j

*η

m

Są następujące drogi podwyższenia sprawności ogólnej:

-

zwiększenie stopnia sprężania,

-

zbliżenie rzeczywistego obiegu silnika do obiegu teoretycznego,

- zmniejszenie strat mechaniczny

ch, np. przez stosowanie lepszych rozwiązań konstrukcji,

mniej urządzeń pomocniczych, właściwy dobór materiałów itp.

Sprawności ogólne silników spalinowych wynoszą na ogół 25 – 40 %

11.

Charakterystyki silnika spalinowego. Wymienić i scharakteryzować .....

Charakterystyka silnika

– graficzne przedstawienie wzajemnych zależności poszczególnych

parama terów pracy silnika.

Charakterystyka prędkościowa – charakterystyka przedstawiająca zależności wybranych
parametrów pracy silnika do prędkości obrotowej.

Charakt

erystyka obciążeniowa – charakterystyka przedstawiająca zależność wybranych

parametrów pracy silnika od jego obciążenia.

Charakterystyka regulacyjna

– charakterystyka przedstawiająca zależność wybranych

parametrów silnika do wielkości regulowanej.

Charakterystyki prędkościowe:



charakterystyka zewnętrzna – przedstawia zależność mocy użytecznej, momentu
obrotowego, zużycia paliwa do prędkości obrotowej przy otwartej przepustnicy;



charakterystyka

mocy częściowej – jak w zewnętrznej tylko przy czesiowo otwartej

przepustnicy;



charakterystyka biegu luzem

– godzinowe zużycie paliwa do prędkości obrotowej na

biegu jałowym;



charakterystyka mocy maksymalnej

– jak w zewnętrznej przy położeniu przepustnicy

zapewniającym uzyskanie mocy maksymalnej;



charakterystyka granicy dymienia;



charakterystyka

ogólna;

Charakterystyki obciążeniowe:



c

harakterystyka obciążeniowa – zużycie paliwa od mocy użytecznej;



charakterystyka regulatorowa

– zależność prędkości obrotowej, momentu

obrotowego, zużycia paliwa do mocy użytecznej;

Charakterystyki regulacyjne:



charakterystyka kąta wyprzedzania zapłonu – zależność mocy użytecznej i zużycia
paliwa do kąta wyprzedzenia zapłonu;



charakterystyka składu mieszanki – zależność mocy użytecznej i jednostkowego
zużycia paliwa do godzinowego zużycia paliwa;



charakterystyka ciśnienia wtrysku – zależność mocy użytecznej i zużycia paliwa do
ciśnienia wtrysku.

12.

Opisać procesy wymiany ładunku w silniku spalinowym.

Jeszcze zanim tłok osiągnie DMP, otwarty zostaje zawór wydechowy i wciąż jeszcze nie do
końca rozprężone gazy spalinowe mogą opuścić cylinder przez układ wydechowy.
Przemieszczający się w górę tłok aż do osiągnięcia GMP, gdy zawór wydechowy jest
otwarty, wypycha z cylindra resztę gazów, a po osiągnięciu GMP następuje tzw. "wahnięcie",
czyli zamknięcie zaworu wydechowego a otwarcie zaworu ssącego i cykl rozpoczyna się od
początku.

Tłok przesuwa się w dół z górnego (GMP) do dolnego martwego punktu (DMP) wytwarzając
we wnętrzu cylindra podciśnienie. W tym czasie zawór ssawny jest otwarty, dzięki temu z
kanału dolotowego, znajdującego się za zamykającym go zaworem ssącym, wciągnięta
zostaje z układu dolotowego silnika (gaźnik, wtrysk jedno- lub wielopunktowy) mieszanka
paliwowo-

powietrzna (lub w przypadku wtrysku bezpośredniego zostaje zassane samo

świeże powietrze, np. silniki typu FSI lub Diesla). Trafia ona do wnętrza cylindra pomiędzy
tłok a głowicę cylindra. Kiedy tylko tłok przekracza DMP, zawór ssący zostaje zamknięty.

Chodzi o 4 i 1 suw pracy (wydech i ssanie)

13.

Do czego służą wałki "Lanchester" w silniku.

Wałki mają za zadanie kompensować drgania i nierówności pracy silnika, co odbywa się
dzięki odpowiednim wyważeniom. Wałki wyrównoważające opatentował Brytyjczyk
Lanchester w 1911 roku, ale seryjnie zaczęto je stosować dopiero w latach 80. Wałki te są
obecnie dość szeroko stosowane - szczególnie w silnikach czterocylindrowych, których
kultura pracy zawsze będzie (z natury ich konstrukcji) niższa niż jednostek posiadających
więcej cylindrów.

14.

Co to jest recyrkulacja spalin i w jakich silnikach ją stosujemy.

System recyrkulacji spalin (EGR

– od ang. Exhaust Gas Recirculation) – jeden z kilku

stosowanych systemów zmniejszenia zanieczyszczeń w spalinach stosowany w
nowoczesnych pojazdach z silnikami

spalinowymi tłokowymi. Zasada działania układu

polega na wprowadzaniu do

układu zasilania silnika pewnej ilości spalin. Zastosowanie

takiego rozwiązania powoduje:



przyspieszenie odparowania paliwa (poprzez jego podgrzanie)



obniżenie temperatury spalania ubogiej w tlen mieszanki paliwowo-powietrznej



utlenienie pozostałych w spalinach niespalonych węglowodorów (HC)

Skutkiem działania układu jest obniżenie emisji tlenków azotu (NOx) – spowodowane
obniżeniem temperatury spalania ubogiej w tlen mieszanki oraz obniżenie emisji HC poprzez
ich utlenienie. Recyrkulację spalin stosuje się w silnikach ZI i ZS.

15.

Obliczyć dla silnika spalinowego pracującego z mocą 50 kW i jednostkowym
zużyciem paliwa 250 g/kWh:
a) objętość zużytego paliwa w ciągu godziny;

ge = 250 g/kWh Pe = 50 kW Ge = ?

Wzór na ge:

ge = (1000 x Ge)/Pe Ge = (ge x Pe)1000 [kg/h]

Ge = (250 x 50)/1000 = 12,5 [kg/h] = 16 [l/h] = 16000 [cm

3

/h]

b) sprawność ogólną silnika;

Pe = 50 kw Ge = 12,5 [kg/h]

Wu (wartość opałowa paliwa) = 43000[kJ/kg]

n

e

= 3600 x Pe/ Ge x Wu = 0,33 = 33 %

c) objętość zużytego powietrza przy stechiometrycznym stosunku paliwa do
powietrza.

1 kg spalonego paliwa = 14,7 kg powietrza

12,5 kg spalonego paliwa = x kg powietrza

X = 12,5 x 14,7 = 183,75 kg = 183,75 l = 183750 cm

3

powietrza.