background image

 

Wymiana ładunków tłokowych silnikach spalinowych 

 

Proces wymiany ładunku cylindra: 

 

usunięcie z cylindra rozprężonych spalin, 

 

napełnienie cylindra świeżym ładunkiem: powietrza lub 
mieszanki powietrza i paliwa (w postaci pary i kropel). 

 

 

Podstawowe wskaźniki charakteryzujące wymianę ładunku 

Współczynnik napełnienia (stopień napełnienia, sprawność 

wolumetryczna, sprawność objętościowa) 

 

t

a

v

m

m

=

η

 

 

Współczynnik napełnienia to stosunek masy powietrza 

znajdującego się w cylindrze po zakończeniu wymiany 

ładunku i masy powietrza, mogącego się zmieścić w cylindrze 

w warunkach odniesienia (normalnych lub panujących przed 

wlotem do cylindra w wypadku silników doładowanych). 

 

Warunki normalne: 

 

Temperatura normalna 

C

25

t

o

0

=

 

Ciśnienie normalne 

kPa

100

p

0

=

 

0

a

s

t

V

m

ρ

=

 

V

s

 – objętość skokowa 

Gęstość powietrza 

w temperaturze normalnej 

3

0

a

m

/

kg

169

,

1

=

ρ

 

 

 

Współczynnik reszty spalin (współczynnik zanieczyszczenia 
świeżego ładunku resztkami spalin) 

 

a

r

m

m

=

ν

 

 

Współczynniki reszty spalin to stosunek masy spalin 
pozostałych w cylindrze po zako
ńczonej wymianie ładunku 
i masy powietrza znajduj
ącego się w cylindrze po zakończeniu 
wymiany ładunku. 

 

νννν    

ZI 

0,05 ÷ 0,15 

ZS 

0,03 ÷ 0,06 

background image

 

Praca wymiany ładunku 

 

=

pdV

L

v

 

dla pętli ujemnej na wykresie indykatorowym 

 

Średnie ciśnienie wymiany ładunku 

 

s

v

v

V

L

p

=

 

 

Wpływ na współczynnik napełnienia: 

 

temperatura powietrza napełniającego cylindry – T

a

 

 

η

ρ

v

a

a

T

 

 

 

ciśnienie napełnienia – p

1

 

 

η

ρ

v

a

1

p

 

 

 

temperatura resztek spalin – T

r

 

 

η

ρ

v

a

r

T

 

zjawisko dominujące 

η

ρ

v

r

r

T

 

 

 

ciśnienie wylotu – p

r

 

 

η

ρ

v

r

r

p

 

 

Wymiana ładunku w silnikach czterosuwowych 

 

Dwa procesy i dwa suwy: 

 

wylot spalin, 

 

dolot – napełnienie cylindra świeżym ładunkiem. 

 

W silnikach czterosuwowych rozrząd zaworowy, umożliwiający 
wymian
ę ładunku. 

 

Zawory: 

 

wylotowe, 

 

dolotowe. 

 

Silnik czterosuwowy 

 

 

background image

 

 

 

10 

Fazy rozrządu – przesunięcie kątowe początków i końców otwarcia 
zaworów wzgl
ędem zwrotnych położeń tłoka. 

 

Fazy rozrządu wynikają z dynamiki procesów wymiany ładunku: 

 

αααα

 – kąt wyprzedzenia otwarcia zaworu, 

 

ββββ

 – kąt opóźnienia zamknięcia zaworu. 

 

(

)

OWK

70

40

o

w

÷

=

α

 

(

)

OWK

40

5

o

w

÷

=

β

 

(

)

OWK

35

10

o

d

÷

=

α

 

(

)

OWK

75

35

o

d

÷

=

β

 

 

o

OWK – stopnie obrotu wału korbowego 

 

11 

Kąt współotwarcia (przekrycia) zaworów 
 

w

d

p

β

+

α

=

ϕ

 

 
K
ąt otwarcia zaworu 
 

β

+

+

α

=

ϕ

o

180

 

 

 

12 

Wykres pola przelotu ładunku 

 

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

-270

-180

-90

0

90

180

270

αααα

 [

o

OWK]

f

z

DZP

DZP

GZP

αααα

w

ββββ

d

αααα

d

ββββ

w

φφφφ

p

φφφφ

w

φφφφ

d

 

background image

 

13 

 
f

z

 – umowne pole przelotu 

ładunku – pole powierzchni 
bocznej sto
żka 

 

 

 

 

14 

 

 

15 

Fazy rozrządu dobiera się empirycznie – z reguły większe fazy dla 

większych prędkości obrotowych. 

 

 

16 

Sprawdzanie średniej prędkości gazów 

Równanie ciągłości strugi nieściśliwej 
 

g

z

c

F

v

f

=

 

 
v

g

 – prędkość gazów 

c

 – prędkość tłoka 

F

 – pole powierzchni 

poprzecznej tłoka 

 

 
Po u
średnieniu przyjmuje się 
 

AV

AV

g

max

z

c

F

v

f

=

 

 

background image

 

17 

]

s

/

m

[

30

n

S

c

AV

=

 

S [m] – skok tłoka 

n [obr/min] 

 

dolot 

(

)

s

/

m

120

70

v

AV

g

÷

=

 

gr

AV

g

v

v

<

 

wylot 

(

)

s

/

m

180

100

v

AV

g

÷

=

 

 

Zwiększanie pola przelotu gazów: 

 

dużśrednice cylindra D – mały stosunek S/D, 

 

podwójne (wielokrotne) zawory dolotowe i wylotowe, 

 

krzywki o dużym współczynniku wypełnienia. 

 

 

18 

Współczynnik wypełnienia krzywki 
 

αααα

f

z

f

z max

φφφφ

 

( )

α

α

φ

=

φ

d

f

f

1

W

0

z

max

z

 

 

55

,

0

W

 

 

 

19 

Charakterystyki napełnienia 

 

Zależność współczynnika napełnienia od wielkości 

charakteryzujących pracę silnika w określonych warunkach pracy 

silnika. 

 

 

20 

Charakterystyka prędkościowa współczynnika napełnienia 
 

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

n [min

-1

]

ηηηη

v

s = const

 

background image

 

21 

Charakterystyka obciążeniowa współczynnika napełnienia 
 
Silnik o zapłonie iskrowym 
 

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

N

ew

ηηηη

v

n = const

 

 

22 

Silnik o zapłonie samoczynnym 
 

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0

20

40

60

80

100

N

ew

 [%]

ηηηη

v

n = const

 

 

23 

Charakterystyki prędkościowe napełnienia dla różnych nastaw 
sterowania silnika o zapłonie iskrowym (ró
żnych kątów uchylenia 
przepustnicy) 

 

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

n [min

-1

]

ηηηη

v

s

1

 = s

max

s

1

 > s

2

 > s

3

s

2

s

3

 

 

24 

Charakterystyki prędkościowe napełnienia dla silników o zapłonie 
iskrowym i o zapłonie samoczynnym 

 

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

n [min

-1

]

ηηηη

v

ZI

ZS

 

background image

 

25 

Charakterystyki prędkościowe napełnienia dla silników: 
klasycznego – K i wyczynowego – W 

 

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0

2000

4000

6000

8000

10000

n [min

-1

]

ηηηη

v

W

K

n

MK

n

NK

n

MW

n

NW

 

 
n

M

 – prędkość 

obrotowa 
maksymalnego 
momentu 
obrotowego 
n

N

 – prędkość 

obrotowa 
znamionowej 
mocy 
u
żytecznej

 

 

26 

 

 

Wzniosy zaworów dla rozrządu o zmiennych fazach 

 

27 

Mechanizm rozrządu 

 

Dolnozaworowy – SV – side valve. 

 

Górnozaworowy. 

OHV (Over Head Valve – zawór w głowicy) – z wałkiem 
rozrz
ądu w kadłubie: z popychaczami, drążkami popychaczy 
i d
źwignią zaworową

OHC (Over Head Camshaft – wałek ponad głowicą) – z wałkiem 
rozrz
ądu w głowicy. 

 

SOHC (Single Over Head Camshaft – ang.: jeden wałek 
rozrz
ądu w głowicy cylindrów). 

 

DOHC (Double Over Head Camshaft – dwa wałki rozrządu 
w głowicy). 

 

28 

Mechanizm rozrządu z wałkiem w głowicy 

 

Z napędem pośrednim. 

 

Z drążkami popychaczy i dźwignią zaworową

 

Z dźwignią zaworową

jednostronną

dwustronną

 

Z napędem bezpośrednim. 

background image

 

29 

 

 

  1 – wałek rozrządu 
  2 – popychacz 
  3 – dr
ążek popychacza 
  4 – zawór 
  5 – spr
ężyna zewnętrzna 
  6 – spr
ężyna wewnętrzna 
  7 – miseczka 
  8 – d
źwignia zaworu 
  9 – 
śruba regulacyjna 
10 – nakr
ętka 

 

 

30 

 

 

Rozrząd górnozaworowy z wałkiem rozrządu w kadłubie 

 

31 

 

 

Rozrząd górnozaworowy z dwoma wałkami rozrządu 

z bezpośrednim napędem zaworów 

 

 

32 

 

 

Rozrząd górnozaworowy z dwoma wałkami rozrządu 

z bezpośrednim napędem zaworów 

background image

 

33 

 

Rozrząd górnozaworowy z jednym wałkiem rozrządu 

z bezpośrednim napędem zaworów 

 

34 

Podział mechanizmu rozrządu ze względu na elementy podatne do 
utrzymywania wi
ęzi kinematycznej: 

 

ze sprężyna śrubową (o stałym lub zmiennym skoku), 

 

z dwiema sprężynami śrubowymi (o stałym lub zmiennym 
skoku), 

 

ze sprężyną agrafkową

 

z drążkami skrętnymi. 

 

35 

Rozrząd dwukrzywkowy (desmodromowy) 
 
 

 

 

36 

 

background image

 

37 

 

 

38 

Mechanika układu rozrządu 

 

 

l

z

 

l

p

 

m

s

 

m

z

 

m

pd

 

I

d

 

h

k

 

h

z

 

φ

d

 

 

 

39 

Przełożenie dźwigni zaworowej 

6

,

1

2

,

1

l

l

i

p

z

÷

=

=

 

 
K
ąt obrotu dźwigni zaworowej 

z

z

p

k

d

l

h

l

h

=

=

ϕ

 

Zależność między przemieszczeniami 
zaworu i popychacza 

i

h

l

l

h

h

k

p

z

k

z

=

=

 

 

Prędkość zaworu 

dt

dh

i

dt

dh

k

z

=

 

k

z

v

i

v

=

 

 

Przyspieszenie zaworu 

dt

dv

i

dt

dv

k

z

=

 

k

z

a

i

a

=

 

 

 

40 

Prędkość kątowa dźwigni 

k

p

k

p

d

v

l

1

dt

dh

l

1

dt

d

=

=

ϕ

 

 

Przyspieszenie kątowe 
d
źwigni 

k

p

2

k

2

p

2

d

2

a

l

1

dt

h

d

l

1

dt

d

=

=

ϕ

 

 

background image

 

41 

Moment sił bezwładności względem osi obrotu dźwigni zaworowej 
 

z

z

s

z

z

2
p

z

pd

z

z

d

p

2
z

k

s

z

p

k

pd

k

p

d

z

z

s

z

p

k

pd

2

d

2

d

B

l

a

2

m

m

l

l

a

m

a

l

1

I

l

l

a

2

m

m

l

a

m

a

l

1

I

l

a

2

m

m

l

a

m

dt

d

I

M

+

=

=

+

=

=

+

ϕ

=

 

 

 

42 



+

+

+

=

=



+

+

+

=

z

z

s

z

z

2
p

pd

z

d

z

p

2
z

s

z

p

pd

p

d

k

B

l

a

2

m

m

l

l

m

l

1

I

a

l

l

2

m

m

l

m

l

1

I

a

M

 

 

z

Rz

z

p

Rp

k

B

l

m

a

l

m

a

M

=

=

 

 
Masa sprowadzona (zredukowana) na o
ś popychacza 
 

2

p

z

s

z

2
p

d

pd

Rp

l

l

2

m

m

l

I

m

m



+

+

+

=

 

 

43 

 
Masa sprowadzona (zredukowana) na o
ś zaworu 
 

2

z

p

pd

2
z

d

s

z

Rz

l

l

m

l

I

2

m

m

m



+

+

+

=

 

 

 

44 

Współpraca krzywki wypukłej z płaskim popychaczem 

 

h

 

φ

 

 

background image

 

45 

Krzywka bezuderzeniowa – krzywka o ciągłym przebiegu 
przyspiesze
ń

Krzywka syntetyczna – krzywka, która powstaje w wyniku syntezy 
wymaga
ń, m.in.: 

 

ciągłości przebiegu przyspieszeń

 

ekstremalnych wartości przyspieszeń

 

współczynnika wypełnienia. 

 

 

46 

We współczesnych 
silnikach spalinowych 
nie stosuje si
ę od 
kilkudziesi
ęciu lat 
krzywek harmonicznych! 

 

47 

Krzywka wielomianowa (tzw. krzywka „polidyne”) 
 

K

K

r

r

z

z

y

y

w

w

k

k

a

a

 

 

w

w

i

i

e

e

l

l

o

o

m

m

i

i

a

a

n

n

o

o

w

w

a

a

 

 

t

t

o

o

 

 

k

k

r

r

z

z

y

y

w

w

k

k

a

a

 

 

o

o

 

 

w

w

z

z

n

n

i

i

o

o

s

s

i

i

e

e

 

 

(

(

o

o

r

r

a

a

z

z

 

 

 

 

w

w

 

 

k

k

o

o

n

n

-

-

s

s

e

e

k

k

w

w

e

e

n

n

c

c

j

j

i

i

 

 

 

 

p

p

r

r

ę

ę

d

d

k

k

o

o

ś

ś

c

c

i

i

 

 

i

i

 

 

p

p

r

r

z

z

y

y

s

s

p

p

i

i

e

e

s

s

z

z

e

e

n

n

i

i

u

u

)

)

 

 

p

p

o

o

p

p

y

y

c

c

h

h

a

a

c

c

z

z

a

a

,

,

 

 

o

o

p

p

i

i

s

s

a

a

n

n

y

y

m

m

 

 

f

f

u

u

n

n

k

k

c

c

j

j

ą

ą

 

 

w

w

i

i

e

e

l

l

o

o

m

m

i

i

a

a

n

n

o

o

w

w

ą

ą

,

,

 

 

s

s

p

p

e

e

ł

ł

n

n

i

i

a

a

j

j

ą

ą

c

c

ą

ą

 

 

d

d

o

o

d

d

a

a

t

t

k

k

o

o

w

w

e

e

 

 

w

w

a

a

r

r

u

u

n

n

k

k

i

i

 

 

o

o

p

p

i

i

s

s

a

a

n

n

e

e

 

 

a

a

n

n

a

a

l

l

i

i

t

t

y

y

c

c

z

z

n

n

i

i

e

e

.

.

 

 

 

 

48 

Wykres kinematyczny krzywki wielomianowej 

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

8000

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

φ

 [

o

OWK]

a

[m

/s

2

]

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

h

[m

m

],

 v

[m

/s

]

h

a

v

 

background image

 

49 

 
Wznios 
 

=

Φ

ϕ

=

N

0

i

i

i

max

c

h

h

 

h

max

 – wznios maksymalny 

Φ

Φ

Φ

Φ

 – połowa kąta zarysu 

φ

    

– kąt mierzony od h

max

 

 

 

e

;

d

;

b

;

a

;

2

;

0

i

=

 

 

[

]

T

c

;

d

;

b

;

a

=

i

 



Φ

ϕ

+

Φ

ϕ

+

Φ

ϕ

+

Φ

ϕ

+

Φ

ϕ

+

=

e

e

d

d

b

b

a

a

2

2

0

max

c

c

c

c

c

c

h

h

 

 

50 

1

c

0

  

 

 

 

 

6

e

;

d

;

b

;

a

 

 

e

d

b

a

   

 

parzyste

e

;

d

;

b

;

a

 

 
Zale
żności 

( )

i

f

c

c

i

=

 

 

z literatury, np.: 

Studdart D.A.: Polidyne cam design (Machine Design, 1953 Vol. 25, 
121–135). 

Bernhardt M., Dobrzyński S., Loth E.: Silniki samochodowe (WKŁ, 
Warszawa 1988). 

 

[

]

T

e

d

b

a

c

;

c

;

c

;

c

=

c

 

 

51 

Jeśli jest znana zależność 
 

(

)

ϕ

Φ

=

ϕ

,

,

h

,

,

f

h

max

h

i

c

 

 
to po zró
żniczkowaniu 

(

)

ϕ

Φ

=

ϕ

=

ϕ

ϕ

,

,

h

,

,

f

d

dh

v

max

v

i

c

 

(

)

ϕ

Φ

=

ϕ

=

ϕ

ϕ

,

,

h

,

,

f

d

dv

a

max

a

i

c

 

 

 

52 

6 – 10 – 14 – 18 

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

φ

 [

o

OWK]

a

[m

/s

2

]

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

h

[m

m

],

 v

[m

/s

]

h

a

v

 

background image

 

53 

12 – 20 – 28 – 36 

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

φ

 [

o

OWK]

a

[m

/s

2

]

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

h

[m

m

],

 v

[m

/s

]

h

a

v

 

 

54 

14 – 26 – 38 – 50 

-6000

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

φ

 [

o

OWK]

a

[m

/s

2

]

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

h

[m

m

],

 v

[m

/s

]

h

a

v

 

 

55 

 

 

56 

background image

 

57 

 

58 

Warunek realizowalności krzywki obwiedniowej 

0

dh

dX

<

 

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

h [mm]

X

 [

m

m

]

 

 

59 

 

Warunek realizowalności krzywki obwiedniowej 

0

d

dX

<

ϕ

 

0

5

10

15

20

25

30

35

40

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

φ

    

[

o

]

X

 [

m

m

]

 

 

60 

Charakterystyka sprężyny zaworowej 
 

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

φ

 [

o

OWK]

a

[m

/s

2

]

-4

-2

0

2

4

6

8

10

h

[m

m

]

h

a

v

 

0

2

4

6

8

10

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

a [m/s

2

]

h

[m

m

]

 

a = f

a

(φ

h = f

h

(φ

 

h = f

ha

[a] 

a = f

ah

(h) 

 

background image

 

61 

 

 

62 

Wymiana ładunku w silniku dwusuwowym 

 

Rozrząd: 

 

tłokowy, 

 

zaworowy, 

 

tłokowo–zaworowy. 

 

W zależności od miejsca wstępnego sprężania świeżego ładunku – 

rozrząd: 

 

ze wstępnym sprężaniem w skrzyni korbowej, 

 

ze wstępnym sprężaniem w sprężarce. 

 

63 

Silnik dwusuwowy 

 

 

 

64 

 

background image

 

65 

 

 

66 

Fazy rozrządu silnika dwusuwowego 

 

 

 

1 – 2 – wylot 
2 – 3 – przepłukanie 
3 – 4 – ucieczka ładunku 
 

αααα

w

 –  kąt wyprzedzenia otwarcia 

okna wylotowego 

αααα

p

 –  kąt wyprzedzenia otwarcia 

okna przelotowego 

ββββ

p

 –  kąt opóźnienia zamknięcia 

okna przelotowego 

ββββ

w

 –  kąt opóźnienia zamknięcia 

okna wylotowego 

 

 

67 

Rozrząd: 

 

symetryczny:   

 

αααα

w

 = 

ββββ

w

;   

αααα

p

 = 

ββββ

p

 

niesymetryczny:   

αααα

w

  

ββββ

w

;   

αααα

p

  

ββββ

p

αααα

w

 > 

αααα

p

;   

ββββ

p

 > 

ββββ

w

 

Rozrząd niesymetryczny 

Cel – zmniejszenie kąta opóźnienia zamknięcia okna wylotowego 

i skrócenie czasu ucieczki świeżego ładunku. 

 

 

68 

Rozrząd niesymetryczny 

 

przesunięcie osi cylindra względem osi wału korbowego – 

możliwa tylko niewielka korekta względem symetrii rozrządu, 

 

układ tłokowo–zaworowy, 

 

układy zaworowe, 

 

układy dwutłokowe. 

background image

 

69 

Przepłukanie cylindra 

 

poprzeczne, 

 

zwrotne, 

 

wzdłużne. 

 

 

70 

Przykłady przepłukania poprzecznego 
 
 

 

 

71 

Przykłady przepłukania zwrotnego 

 

 

 

72 

Przykłady przepłukania wzdłużnego 

 

 

background image

 

73 

Wielkości charakteryzujące wymianę ładunku 

 
Współczynnik przechwycenia ładunku 

 

p

a

p

m

m

η

=

 

 

Współczynnik przechwycenia ładunku jest to stosunek masy 
powietrza, znajduj
ącego się w cylindrze po zakończeniu wymiany 
ładunku, i masy powietrza u
żytego do przedmuchiwania. 
 

 

74 

Współczynnik napełnienia komory korbowej 

 

t

p

vk

m

m

η

=

 

 

Współczynnik napełnienia komory korbowej jest to stosunek masy 
powietrza, u
żytego do przedmuchiwania, i masy powietrza, 
mog
ącego się zmieścić w cylindrze w warunkach odniesienia 
(normalnych lub panuj
ących przed wlotem do cylindra w wypadku 
silników doładowanych). 
 

 

75 

Współczynnik napełnienia 
 

vk

p

t

p

p

a

t

a

v

m

m

m

m

m

m

η

η

=

=

=

η

 

 
Współczynnik napełnienia to stosunek masy powietrza znajduj
ącego 
si
ę w cylindrze po zakończeniu wymiany ładunku i masy powietrza, 
mog
ącego się zmieścić w cylindrze w warunkach odniesienia 
(normalnych lub panuj
ących przed wlotem do cylindra w wypadku 
silników doładowanych). 
 
Współczynnik napełnienia cylindra silnika dwusuwowego jest 
iloczynem współczynnika przechwycenia ładunku i współczynnika 
napełnienia komory korbowej.