Temat:

1. Charakterystyka dynamiczna samochodu.

2. Kinematyka i siły działające na mechanizm korbowy.

3. Silniki turbo spalinowe.

CHARAKTERYSTYKA DYNAMICZNA SAMOCHODÓW.

Producenci samochodów w swoich prospektach reklamowych i instrukcjach obsługi podają niektóre parametry silnika. To ważne informacje dla użytkownika, a przede wszystkim dla potencjalnego nabywcy danego samochodu, gdyż z tych pozornie mało ciekawych liczb można wysnuć daleko idące wnioski. Większość tych liczb charakteryzuje dynamikę pojazdu i możliwości układu napędowego. Pojemność skokowa silnika jest wielkością dobrze znaną wszystkim użytkownikom samochodów. Ta informacja znajduje się w prospektach reklamowych i instrukcjach obsługi samochodów. Jako jedna z danych charakterystycznych silnika, jest umieszczana w dowodzie rejestracyjnym pojazdu.

Pojemność skokowa

Pojemność skokowa jest wielkością geometryczną. Stanowi ją objętość walca, w którym porusza się tłok silnika. Objętość cylindra to iloczyn pola powierzchni przekroju poprzecznego cylindra i skoku tłoka. Dla wielocylindrowej jednostki napędowej pojemność skokowa jest sumą objętości poszczególnych cylindrów. W katalogach pojemność skokowa podawana jest najczęściej w centymetrach sześciennych. Jednak w praktyce konstrukcyjnej pojemność, a ściślej biorąc skok tłoka i jego średnica jest ustalana z wyliczeń, w których założona jest konkretna moc silnika, przy uwzględnieniu zależności wymiarowych właściwych dla danej grupy silników.

We wszystkich silnikach używanych do napędu samochodów ważna jest proporcja skoku tłoka do średnicy cylindra oraz relacja promienia wykorbienia do długości korbowodu. Pierwszy iloraz decyduje o wysokości i długości silnika, o jego masie i średniej prędkości tłoka. Co istotne w praktyce eksploatacyjnej, poprzez zmniejszenie skoku tłoka przy zachowaniu stałej średnicy cylindra, uzyskuje się spadek średniej prędkości tłoka. Niższa prędkość poruszania się tłoka w cylindrze wpływa korzystnie na wzrost długości okresów międzynaprawczych silnika. Większa średnica cylindra umożliwia korzystniejsze ułożenie gniazd zaworowych. Proporcja skoku tłoka do średnicy cylindra waha się w przedziale 0,85 - 1,00. Obecnie silniki o długim skoku tłoka nie są projektowane.

Moment obrotowy

Drugą istotną informacją charakteryzującą silnik jest wartość maksymalnego momentu obrotowego, który może rozwinąć jednostka napędowa. Jest to wskaźnik informujący o potencjalnej możliwości przyspieszania i elastyczności samochodu. Wartość momentu obrotowego zmienia się w funkcji prędkości obrotowej wału korbowego. Wraz ze wzrostem prędkości silnika moment rośnie, ale tylko do pewnej granicy, następnie pomimo wzrostu obrotów wartość momentu zmniejsza się.

W eksploatacji, ważne jest, aby stosunkowo wysoki moment obrotowy utrzymywał się w szerokim zakresie prędkości obrotowych silnika, co czyni silnik elastycznym, bowiem umożliwia płynną jazdę bez konieczności częstej zmiany biegów.

Moment obrotowy silników spalinowych mierzy się w warunkach laboratoryjnych za pomocą specjalnych przyrządów zwanych hamulcami W silniku ważna jest proporcja skoku tłoka do średnicy cylindra. Skrócenie skoku tłoka przy zachowaniu stałej średnicy cylindra powoduje spadek średniej prędkości tłoka, a więc wydłużenie okresów międzynaprawczych silnika.

Jego wartość podaje się w niutonometrach (Nm). Wartości momentu uzyskiwanego przez silniki samochodów osobowych zawierają się w szerokich granicach 47- 700 Nm i zależą od mocy, pojemności i innych cech konstrukcyjnych silnika.

Moc

Trzecią wielkością, która charakteryzuje silnik jest moc. Moc silnika jest to praca wytworzona przez ciśnienie gazów działających na denko tłoka, wykonana w jednostce czasu. Dla silników wielocylindrowych jest sumą mocy cylindrów wchodzących w skład jednostki napędowej. Dla kierowcy interesująca jest moc użyteczna. Jest to moc, która może być przekazana odbiornikowi w dowolnych warunkach pracy silnika. Moc znamionowa jest gwarantowana przez wytwórcę jednostki napędowej dla określonych warunków pracy. Dla silników samochodów osobowych moc znamionowa jest równa mocy maksymalnej, to jest takiej, którą silnik może rozwinąć przy stałym obciążeniu w ciągu określonego czasu bez obawy przekroczenia dopuszczalnego obciążenia mechanicznego lub przegrzania. Wartość mocy maksymalnej jest podawana w większości prospektów i danych technicznych samochodów osobowych.

Rysunek poniżej  przedstawia wykres - wskaźnika dynamicznego samochodu z  4-stopniową skrzynką biegów.

Wykres taki nazywany jest często charakterystyką dynamiczną samochodu.  

KINEMATYKA I SIŁY DZIAŁAJĄCE NA MECHANIZM KORBOWY

Układ korbowo-tłokowy jest układem bezpośrednio uczestniczącym w procesie zamiany ciepła na prace przy czym zamienia ruch posuwisto-zwrotny tłoka na ruch obrotowy wału korbowego (suw pracy), natomiast pozostałe procesy odbywają się poprzez zamianę ruchu obrotowego wału korbowego na ruch posuwisto-zwrotny tłoka (ssanie, sprężanie, wydech).

W takcie pracy silnika na będące w ruchu elementy układu działają siły:

1. ciśnienia gazów

2. bezwładności poruszających się mas (siły masowe)

Współczesne silniki są na ogół silnikami szybkobieżnymi i dlatego też za podstawę do wszelkich obliczeń wytrzymałościowych przyjmuje się siły bezwładności poruszających się mas gdyż są one na ogół znacznie większe od siły ciśnienia gazów. Na będące w ruchu elementy układu korbowo-tłokowego działają siły bezwładności, zwane również siłami masowymi.

Siły te dzielimy na 3 grupy:

• Siły masowe tłoka

• Siły masowe wału korbowego

• Siły masowe korbowodu

Wartość tych sił zależy od:

• poruszającej się masy

• jej chwilowego przyspieszenia

Siły masowe tłoka:

Pt - siła masowa tłoka [kG]
Gt - ciężar tłoka kompletnego (z pierścieniami i sworzniem tłokowym) [kG]
g - przyspieszenie ziemskie - 9,81 m/s2
a - przyspieszenie tłoka [m/s2]

Siła ta ma zawsze, zgodnie z zasadą d'Alemberta, kierunek przeciwny kierunkowi przyspieszenia, dlatego przed wzorem znajduje się znak "-". Siły masowe tłoka przenoszone są za pośrednictwem sworznia tłokowego i korbowodu na czop korbowy i łożyska główne wału korbowego. Stąd też siły masowe tłoka należy brać pod uwagę przy obliczaniu naprężeń wszystkich wymienionych części.

Siły masowe wału korbowego

Uwzględniając siły odśrodkowe będące wynikiem ruchu obrotowego wału korbowego bierzemy pod uwagę tylko te części masy wału, które nie są zrównoważone przez odpowiednie masy umieszczone po przeciwległej stronie osi wału.

Siła odśrodkowa wywołana obrotem tej części korby wynosi:

mr - masa niezrównoważona korby, zredukowana na promieniu R

Rozkład mas niewyrównoważonych w wale korbowym

Siły masowe korbowodu

Ruch korbowodu jest złożony z ruchu wahadłowego i postępowo-zwrotnego. Oś główki korbowodu wykonuje ruch postępowo-zwrotny wraz z tłokiem, natomiast oś łba korbowodu wykonuje ruch obrotowy wraz z osią wału. Pozostałe punkty materialne korbowodu wykonują ruchy wypadkowe dwóch ruchów zasadniczych. Ze względu na złożony kształt i złożony ruch korbowodu dokładne obliczenie jego sił masowych jest bardzo skomplikowane.

SILNIKI TURBOSPALINOWE

Silnik turbospalinowy jest to silnik, którego moc użyteczna uzyskiwana jest przy wykorzystaniu turbiny spalinowej; w najprostszej wersji wyposażony jest w jeden wał, na którym osadzona jest turbina spalinowa oraz napędzana przez nią sprężarka powietrza. Powietrze sprężone w sprężarce przepływa do komory spalania, gdzie miesza się z wtryskiwanym ciągle paliwem, spaliny powstające w wyniku spalania mieszanki stanowią czynnik roboczy napędzający turbinę i skierowane na łopatki koła łopatkowego turbiny wprawiają w ruch obrotowy jej wirnik. Część mocy turbiny zużywana jest do napędu sprężarki zasilającej powietrzem komorę spalania silnika, pozostała na wykonanie przez niego pracy użytecznej.

W celu podwyższenia sprawności stosuje się zwykle regenerację ciepła poprzez nagrzewanie powietrza wypływającego ze sprężarki (w drodze do turbiny) spalinami wypływającymi z turbiny (gazami wylotowymi). Zaletami w stosunku do spalinowych silników tłokowych o tej samej mocy są: prostsza konstrukcja, mniejsze wymiary i ciężar, równomierność przekazywania mocy, niższe koszty produkcji, możliwość stosowania różnych i tańszych paliw oraz duża trwałość. Do głównych wad można zaliczyć niższą sprawność, której podwyższenie wymaga znacznej komplikacji konstrukcji, dość dużą hałaśliwość i znaczną temperaturą gazów wylotowych, są stosowane głównie do napędu: prądnic w elektrowniach, jednostek pływających, lokomotyw spalinowych, pomp, sprężarek itp., a także samolotów (turbośmigłowy silnik). Pierwszy, przydatny w pełni, s.s.t. zbudowała 1939 firma szwajcarska Brown-Boveri.

Zasada działania

Na wale turbiny zamocowana jest sprężarka dostarczająca sprężone powietrze do komory spalania. Po spaleniu paliwa w komorze (paliwo spalane jest bezpośrednio w sprężonym powietrzu przepływającym przez komorę spalania), spaliny przepływając przez stojan i wirnik turbiny generują moc mechaniczną na wale wirnika napędzając jednocześnie zamocowaną na nim sprężarkę. W turbinie generowana jest większa moc od mocy pobieranej przez sprężarkę, więc jej nadmiar może zostać odprowadzony do dowolnej maszyny, np. generatora elektrycznego. Większa moc turbiny niż sprężarki wynika z wyższych temperatur panujących w turbinie. Im wyższa temperatura czynnika, tym większa jego objętość właściwa (dla tego samego ciśnienia), a więc tym więcej energii trzeba zużyć do jego sprężenia, bądź więcej energii uzyska się z jego rozprężenia. Natomiast im niższa jest temperatura czynnika, tym energia sprężania i rozprężania jest niższa. Można więc wyciągnąć wniosek, że sprężanie w sprężarce czynnika powinno przebiegać przy możliwie niskiej temperaturze, a rozprężanie w turbinie - przy możliwie wysokiej. Czynnik roboczy po rozprężeniu w turbinie posiada jeszcze stosunkowo wysoką temperaturę (więc niesie dużą energię). W układach najprostszych czynnik po opuszczeniu turbiny wydalany jest do otoczenia, co jest przyczyną występowania stosunkowo dużej straty energii. Aby ją ograniczyć stosuje się m.in. rekuperatory, kotły odzyskowe lub inne urządzenia energetyczne, które odzyskują część energii cieplnej z wyrzucanych do otoczenia spalin. Energia cieplna może być wykorzystywana w celach użytkowych, np. do ogrzewania pomieszczeń lub wody użytkowej, ewentualnie do wytworzenia pary. Energia odbierana z wału turbiny to energia mechaniczna służąca do napędu statków, pociągów, generatorów energii elektrycznej, śmigieł, sprężarek i innych urządzeń, a nawet czołgów. W zastosowaniach lotniczych turbina gazowa jest elementem konstrukcyjnym silnika turboodrzutowego lub turbowałowego (turbośmigłowego, śmigłowcowego). Obieg turbiny gazowej jest zwykle otwarty (w odróżnieniu od obiegu zamkniętego, gdzie rozprężony czynnik pozostaje w obiegu obiegu, np. obieg turbiny parowej). W układzie otwartym czynnik termodynamiczny jest pobierany z zewnątrz (powietrze i paliwo) i po przejściu przez komorę spalania i turbinę oddawany do otoczenia (spaliny).

5

---