background image

67

7. CHARAKTERYSTYKI SILNIKÓW OKR TOWYCH 

Charakterystyk  silnika obrazuje wykre lne lub analityczne przedstawienie jednego lub kilku wska ników 

pracy  silnika  w  funkcji  innego  wska nika,  wpływaj cego  na  prac   silnika.  Charakterystyki  słu   do  oceny 
wybranych  własno ci  silnika  w  całym  zakresie  jego  pracy.  Ze  wzgl du  na  zmienn   niezale n   charakterystyki 
dzieli si  na: 

- pr dko ciowe, w funkcji pr dko ci obrotowej silnika, 
- obci eniowe, w funkcji obci enia silnika, 
- regulacyjne, w funkcji wielko ci regulacyjnej silnika, 
- ogólne, zwane równie  uniwersalnymi. 

7.1. Charakterystyki pr dko ciowe 

W grupie charakterystyk pr dko ciowych wyró nia si  charakterystyki wykonane dla stałej nastawy paliwa 

oraz  dla  nastawy  zmiennej.  Wykonane  dla  stałej  nastawy  paliwa  (ht  = const)  nazywane  s   równie
charakterystykami  zewn trznymi,  natomiast  dla  zmiennej  (ht  =  var)  -  charakterystykami  rubowymi.  W 
pierwszym wypadku dawka paliwa na cykl pozostaje stała (gc = const), natomiast w drugim (gc = var) dobierana 
jest tak, aby moc rozwijana przez silnik była równa mocy zapotrzebowanej przez  rub  okr tow . Pod wzgl dem 
sposobu regulacji układów zasilaj cych silnik rozró nia si  charakterystyki: 

- mocy maksymalnej, 
- granicy dymienia, 
- eksploatacyjne i biegu jałowego. 

Ten typ charakterystyk najcz ciej przedstawiany jest w postaci wykresów funkcji:

                                                                                N = f(n)                                                                        (7.1) 

Uzupełniane s  one na ogół wykresami takich funkcji, jak: 

Mo = f(n); pe = f(n); ge = f(n); G,= f(n) 

gdzie: 

Mo    - moment obrotowy silnika, 
pe      -  rednie ci nienie u yteczne, 
ge i Ge - jednostkowe i godzinowe zu ycie paliwa. 

Charakterystyka  mocy  maksymalnej,  nazywana  równie   absolutn   lub  bezwzgl dn ,  jest  okre lona 
zale no ci  najwi kszej osi galnej mocy u ytecznej Ne = f(n) przy wydatku paliwa odpowiadaj cym tej mocy 
oraz  optymalnej  regulacji  urz dze   zasilaj cych  silnik  dla  poszczególnych  pr dko ci  obrotowych  silnika.  Jest 
ona  poj ciem  teoretycznym,  poniewa   praktycznie  nie  istnieje  mo liwo   optymalnej  regulacji  urz dze
zasilaj cych  dla  wszystkich  pr dko ci  obrotowych,  szczególnie  za   okresów  rozrz du  wymiany  ładunku 
(otwarcie i zamkni cie zaworów) i układu wtryskowego paliwa (parametry wtrysku). 

Charakterystyka  dymienia  jest  to  zale no   Ne  =  f(nn)  przy  stałej  nastawie  dawki  paliwa  odpowiadaj cej 
umownym  objawom  dymienia  silnika  (widoczne  zanieczyszczenie  spalin  sadzami).  Ogranicza  ona  pole 
rzeczywistych, mo liwych do realizacji stanów silnika o okre lonym stopniu zadymienia spalin. Sporz dza siej
w ten sposób,  e dla ró nych pr dko ci obrotowych silnika wyznacza si  moc, przy której w spalinach zaczynaj
si  pojawia  sadze. 

Charakterystyki  eksploatacyjne  le

  poni ej  krzywej  dymienia  i  przedstawiaj   zale no   trwałej  mocy 

u ytecznej  silnika  Ne  =  f(n)  przy  ograniczonej  nastawie  paliwa  i  optymalnej  regulacji  dokonanej  dla  mocy 
znamionowej.  Charakterystyk   mocy  znamionowej  wykonuje  si   przy  stałej  nastawie  paliwa  odpowiadaj cej 
mocy znamionowej, przy znamionowej pr dko ci obrotowej.                      

Do analizy charakterystyk pr dko ciowych wykorzystuje si  na- j stepuj ce zale no ci: 
                                                                                   Ne = Cpe n                                                               (7.2)  
                                                                                   Ne = C

1

 Mo n                     

                             (7.3) 

                                                                                   Mo = C

2

 pe                                                               (7.4) 

oraz 

                                                                               

m

v

i

C

p

η

η

λ

η

3

=

                                                      (7.5) 

background image

68

przy czym 

                                                                                          

o

o

o

d

T

p

RL

W

=

3

                                                                                  

(7.6)   

gdzie: 

C, C1, C2, C3 - wielko ci stałe dla danego silnika, 
ηv - współczynnik napełnienia, 
ηm - sprawno  mechaniczna silnika, 
R    - stała gazowa, 
Lo    - teoretyczne zapotrzebowanie powietrza do spalania, 
po i To - ci nienie i temperatura otoczenia. 

Z wyra enia (7.5) wynika, ze ci nienie (pe) osi ga maksymaln  warto  dla maksymalnych warto ci (ηv), (ηi/λ) 

oraz (ηm). Sprawno  mechaniczna równie  osi ga warto  maksymaln , gdy wska niki (ηv) i (ηi/λ) uzyskaj
warto ci maksymalne. Charakter przebiegu tych krzywych przedstawiono na rysunku 4.2. 

Współczynnik  napełnienia  (ηv)  maleje  wraz  ze  wzrostem  pr dko ci  obrotowej  silnika,  co  wynika  ze 

wzrostu  oporów  przepływu.  St d  nale y  równie   oczekiwa   zmiany  sprawno ci  mechanicznej,  zgodnie  z 
wyra eniem: 

                                                                   

π

η

η

η

i

v

t

m

C

p

3

1 −

=

                                                                (7.7) 

gdzie: 

 pt -  rednie ci nienie tarcia. 

Wzrostowi  pr dko ci  obrotowej  silnika  towarzyszy  powi kszanie  si

redniego  ci nienia  tarcia  (pt)  i 

zmniejszanie warto ci wyra enia: 

λ

η

η

i

v

Zmiany  wymienionych  wska ników  w  funkcji  pr dko ci  obrotowej  przedstawiono  na  rysunku  7.1,  z 

którego wynika,  e na przebieg tych charakterystyk ma wpływ doładowanie silnika. 

Rys. 7.1. Zmiany parametrów silnika na charakterystyce pr dko ciowej (dla stałej nastawy paliwa): a) silnik bez 
doładowania, b) silnik z doładowaniem [7] 

Zmianie ulega przebieg takich wska ników, jak  rednie ci nienie efektywne (pe) i współczynnik nadmiaru 

powietrza  (λ).  W  silniku  be2  doładowania  rednie  ci nienie  (pe)  osi ga  warto   maksymaln   dli  ni szych 
pr dko ci  obrotowych.  Zmiany  współczynnika  nadmiaru  powietrza  spowodowane  s   tym,  e  dla  mniejszych 
pr dko ci  obrotowych  zmniejsza  si   ilo   gazów  spalinowych  doprowadzonych  do  turbiny,  prowadz c  do 
zmniejszenia  pr dko ci  obrotowej  spr arki  i  ci nienia  doładowania  oraz  do  zmniejszenia  z  kolei  g sto ci  i 
współczynnika nadmiaru powietrza. 

Charakterystyki pr dko ciowe przedstawia si  na ogół w postaci p ku krzywych dla ró nych wska ników 

obci enia, co zobrazowano na rysunku 7.2. 

background image

69

Rys. 7.2. Charakterystyki pr dko ciowe dla stałej nastawy paliwa 

Odmienny  charakter  maj   charakterystyki  pr dko ciowe  dla  zmiennej  nastawy  paliwa  (

HT 

=  var),  do 

których  nale   charakterystyki  rubowe.  W  takiej  sytuacji  stany  robocze  silnika  okre laj   punkty  przeci cia 
charakterystyki  odbiornika  z  charakterystykami  pr dko ciowymi  silnika  (rys.  7.3).  Na  krzywej  rubowej  praca 
silnika  mo e si  odbywa  przy zmieniaj cej si  dawce paliwa  na cykl, zgodnie z punktami przeci cia krzywej 

rubowej z charakterystykami pr dko ciowymi silnika. 

Dla  bezpo redniego  nap du  ruby  okr towej  pr dko   obrotowa  silnika  jest  równa  pr dko ci  obrotowej 

ruby.  Oznacza  to,  e  moment  obrotowy  silnika  (Mo)  jest  równy  momentowi  obrotowemu  (Ms)  ruby 

nap dowej (pomijaj c straty transmisji mocy), a moc rozwijana przez silnik (Ne) - mocy pobieranej przez  rub
(Ns): 

                                                                                     Mo = Ms = Kn

2                                                       

                  (7.8) 

                                                                                          Ne = Ns                                                             (7.9)  

gdzie: 

K - współczynnik proporcjonalno ci zale ny od wymiarów geometrycznych  ruby H/D,  
H - skok  ruby,  
D -  rednica  ruby. 

Uwzgl dniaj c wyra enie (7.3) mo na napisa

                                                                                        Ne = C

4

 n

3

                                                          (7.10) 

Rys. 7.3. Charakterystyki pr dko ciowe silnika oraz charakterystyka  rubowa 

Eksploatacyjne warto ci mocy, pr dko ci obrotowej i momentu mo na wyznaczy  z zale no ci: 

                                                                            

3

1

2

1

=

n

e

e

n

n

N

N

                                                      (7.11) 

                                                                               

3

1

1

en

e

n

N

N

n

=

                                                         (7.12) 

                                                                             

2

1

1

=

n

sn

s

n

n

M

M

                                                   (7.13) 

  

background image

70

Z  wyra e   (7.11),  (7.12)  i  (7.13)  wynikaj   istotne  wnioski  dotycz ce  pracy  silnika  na  charakterystyce 

rubowej  w  zakresie  małych  pr dko ci  obrotowych.  Dla  pr dko ci  obrotowej  n1  =  20%  w„  obci enie  silnika 

moc  wynosi N

e1

 = 1,56% N

en

 mocy znamionowej, co faktycznie odpowiada pracy silnika przy biegu luzem. W 

takim zakresie dłu sza praca silnika jest utrudniona z uwagi na przebieg procesu roboczego w tych warunkach. 
Przykład ogólny charakterystyki  rubowej silnika okr towego pokazano na rysunku 7.4. 

Rys. 7.4. Charakterystyka  rubowa silnika okr towego 

Do  grupy  charakterystyk  eksploatacyjnych  zalicza  si   równie   charakterystyki  regulatorowe,  które 

przedstawiaj   zale no   podstawowych  wska ników  pracy  silnika  od  pr dko ci  obrotowej  i  ustawienia 
regulatora obrotów. Charakter tych krzywych zale y od rodzaju regulatora obrotów zainstalowanego na silniku. 
Wyró nia  si   przy  tym  charakterystyki  eksploatacyjne  silnika  pracuj cego  z  regulatorem:  jednozakresowym, 
dwuzakresowym i wielozakresowym. Wykresy tych charakterystyk przedstawiono na rysunku 7.5. 

Rys.  7.5.  Charakterystyki  eksploatacyjne  silnika  z  regulatorem:  a)  jednozakresowym,  b)  dwuzakresowym,  c) 
wielozakresowym 

Regulatory jednozakresowe, zwane równie  granicznymi, stosuje si  do ograniczenia pr dko ci obrotowej 

silnika  podczas  nagłego  zmniejszenia  obci enia  w  celu  zapobie enia  przeci aniu  siłami  bez  władno ci  pod 
wpływem nadmiernej pr dko ci obrotowej. Regulatory tego typu pracuj   zazwyczaj w przedziale pr dko ci (0,9 
do 1,1)n

n

Regulatory  dwuzakresowe  reguluj   wielko   dawki  paliwa  w  zakresie  najmniejszej  pr dko ci  obrotowej 

oraz w przedziale od znamionowej do najwi kszej dopuszczalnej pr dko ci obrotowej. Poza tymi przedziałami 
wielko  dawki paliwa ustalana jest przez operatora. 

Obecnie  stosowane  na  statkach  regulatory  wielozakresowe  słu   do  automatycznej  regulacji  silnika  w 

całym zakresie stanów roboczych. Odgał zienia charakterystyki stanowi  krzywe mocy cz ciowych, uzyskane 
odpowiednio do nastawy napi cia spr yny regulatora.