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)

68

przy czym

o

o

o

d

T

p

RL

W

C =

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.

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

n =

(7.12)

2

1

1

=

n

sn

s

n

n

M

M

(7.13)

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.