Maszynoznawstwo - K. Wisłocki

Jakoś napisałem, większość z kserówek i wikipedii… Gdyby ktoś miał jakieś pytania albo sugestie, to [e-mail]

1. Maszyna a silnik; istota funkcjonowania silnika, kryteria podziału silników.

Maszyna jest to urządzenie, posiadające ruchome części, które pozwalają na jednej formy energii na drugą. Silnik zamienia energię pierwotną na pracę mechaniczną. Silniki dzielimy na:

a) ze względu na rodzaj przetwarzanej energii:

• Słoneczne,

• Wiatrowe,

• Wodne,

• Elektryczne,

• Parowe,

• Cieplne,

b) ze względu na rodzaj stosowanego paliwa:

• Słoneczne (odnawialne)

• Jądrowe (odnawialne)

• Stałe

• Ciekłe (nieodnawialne),

• Gazowe

c) ze względu na ruch el. roboczego

• obiegowy

• obrotowy

• posuwisty

• posuwisto-zwrotny

d) ze względu na miejsce przetwarzania energii:

• spalanie zewnętrzne

• spalanie wewnętrzne

2. Główne zadanie silników, a maszyn roboczych.

Maszyny robocze - zamiana en. mechanicznej na pracę mechaniczną.

Silniki - zamiana en. pierwotnej na pracę mechaniczną.

3. Definicje: energia, praca, moc, sprawność, definicyjne wzory obliczeniowe.

energia - nagromadzona w ciele zdolność do wykonywania pracy.

praca - siła potrzebna do przesunięcia pewnej masy na daną odległość.

moc - praca wykonana w jednostce czasu (praca potrzebna do przesunięcia ciała z określoną szybkością)

sprawność - miara zdolności urządzenia lub procesu do przekształcania jednej postaci energii w inną η =W/Q_dost

wzory: praca: W=F*S (ruch postępowy), W=M_o*L (ruch obrotowy)

moment obrotowy - wektor osiowy M=F·R (R - promień wodzący zaczepiony w wybranym punkcie, F - wektor działającej siły, · - iloczyn wektorowy)

Moc: P=W/t=F*S/t=F*v [W=J/s] (ruch postępowy)

P=F*ΔΦ*R/Δt=F*R*ω [W=Nm*rad/s] P=M_o* ω=M_o*2* π*n/60

4. Na czym polega bilans cieplny?

Jest to równanie opisujące sumę procesów cieplnych określonego układu termodynamicznego. W pewnym sensie kompletny zapis bilansu cieplnego jest równoważny sformułowaniu I zasady termodynamiki dla szczególnego przypadku analizowanego układu.

Ciepło dostarczone = Ciepło spalin+ciepło chłodzenia+ciepło tarcia+ciepło wykorzystane.

Q_dost=m_pal*W_op* η_sp (W_op - właściwość paliwa, η_sp - jakość wydzielania ciepła - spalania)

5. I zasada termodynamiki

Pierwsza zasada termodynamiki to prosta zasada zachowania energii, czyli ogólna reguła głosząca, że energia w żadnym procesie nie może pojawić się "znikąd". Zmiana energii wewnętrznej układu jest równa sumie pracy wykonanej przez układ bądź nad układem i ciepła dostarczonego lub oddanego przez układ.

Q_dost=dU+W-Q_str; Q_dost=m_pal*W_op* η_sp (W_op - właściwość paliwa, η_sp - jakość wydzielania ciepła - spalania); dU=m_c*c_v*dT_e;
;

6. Rodzaje paliw silnikowych, podstawowe nazwy i właściwości.

ciekłe: benzyny, olej napędowy, oleje roślinne, biopaliwa, eter, nafta, spirytus

gazowe: LPG, CNG, NG, biogaz, wodór

stałe: węgiel, koks, torf, drewno,

paliwa jądrowe

7. Wymienić rodzaje silników:

Parowe, na paliwo stałe, wiatrowe, wodne, turbiny spalinowe, śmigłowe, odrzutowe, elektryczne, spalinowe tłokowe.

8. Zasada działania silnika parowego.

Silnik w którym energia pary (najczęściej) wodnej przekształca się w energię mechaniczną. Para wodna uzyskana przez ogrzanie wody w kotle parowym posiada temperaturę wyższą niż 100stopni Celsjusza, ponieważ w kotle panuje wysokie ciśnienie, powodujące że temperatura wrzenia wody jest wyższa niż przy ciśnieniu atmosferycznym. Dla polepszenia sprawności energetycznej, stosowane są silniki na parę przegrzaną, do zasilania których, w kotłach parowych stosuje się przegrzewacze dodatkowo podnoszące temperaturę pary. Para wywierając nacisk na tłok silnika parowego przesuwa go wykonując pracę mechaniczną, równocześnie na skutek rozprężania objętość jej rośnie a temperatura spada. Najczęściej stosuje się silniki parowe dwustronnego działania, w których para na zmianę wywiera nacisk po obu stronach tłoka. Dla pełniejszego wykorzystania energii pary, stosuje się parowe silniki tłokowe podwójnego rozprężania, w których częściowo rozprężona para wylotowa, opuszczająca cylinder pierwszego stopnia, jest dalej rozprężana w cylindrze drugiego stopnia, mającym znacznie większą średnicę. Zastosowanie silnika parowego stało się podstawą rewolucji przemysłowej. Przez około 150 lat silniki te odegrały znaczną rolę w rozwoju techniki, lecz obecnie zostały zastąpione przez bardziej ekonomiczne i lżejsze turbiny parowe oraz silniki spalinowe.

1. tłok; 2. tłoczysko; 3. krzyżulec; 4. korbowód; 5. wykorbienie wału korbowego

6. wał korbowy; 7. koło zamachowe; 8. suwak; 9. regulator odśrodkowy

9. Co to są silniki wiatrowe?

Turbina wiatrowa to nowoczesny wiatrak zamieniający energię kinetyczną wiatru na ruch obrotowy wirnika. Wspólczesne turbiny wiatrowe możemy podzielić na:

bębnowe, karuzelowe, rotorowe Savoniusa, wielopłatowe, Darrieusa, śmigłowe.

Najczęściej spotykaną w zastosowaniach energetycznych turbiną jest turbina śmigłowa trójpłatowa (rzadziej dwu- lub jednopłatowa), o poziomej osi obrotu, wirniku ustawionym "na wiatr", zamocowanym w gondoli stalowej lub z tworzyw sztucznych. Całość umieszczona jest na wieży o wysokości od 40 do 100 m.

10. Jakie znasz rodzaje silników wodnych?

• akcyjne

-turbina Peltona w której wirnik z wklęsłymi łopatkami zasilany jest stycznie strumieniem wody z dyszy stosowana przy dużych spadkach.

• reakcyjne

-turbina Francisa - dla średnich spadków

-turbina Kaplana, turbina śmigłowa - dla małych spadków

-turbina Tesli, turbina talerzowa - szczególny przypadek turbiny hydraulicznej

11. Systematyka silników cieplnych

Silniki cieplne:

a) silniki tłokowe:

• spalania wewnętrznego:

-w obiegu otwartym (tłokowe silniki spalinowe)

-w obiegu zamkniętym

• spalania zewnętrznego:

• w obiegu zamkniętym:

• silnik Stirlinga (czynnik gazowy),

• silnik parowy (czynnik parowy, kondensacja)

• w obiegu otwartym:

• silnik na gorące powietrze (czynnik gazowy),

• silnik parowy (czynnik parowy).

b) silniki przepływowe:

• rakietowe, odrzutowe

• turbinowe:

• turbiny gazowe

• turbiny parowe

12. Zasada funkcjonowania silników turbinowych i odrzutowych.

turbinowy: Czynnik termodynamiczny, którym może być para, spaliny albo inny płyn, przy odpowiedniej prędkości pada na łopatki turbiny pod odpowiednim kątem. Gaz jakoby “dmuchając” w palisadę łopatek powodują obracanie się tarczy wokół osi wału. Na wale powstaje moment obrotowy, który można wykorzystać do napędu czegokolwiek.

odrzutowy: Powietrze zasysane jest przez sprężarkę (osiową lub promieniową, jedno- lub wielostopniową) i sprężane przez nią. Następnie trafia do komory spalania (lub kilku komór rozmieszczonych obwodowo wokół osi silnika), tam wtryskiwacze podają paliwo (np. naftę lotniczą), paliwo zapala się od rozgrzanych spalin (w momencie rozruchu paliwo zapalane jest świecą zapłonową). Gorące gazy spalinowe napędzają turbinę, która jest sprzęgnięta z wymienioną wcześniej sprężarką. Turbina napędza sprężarkę, co powoduje podtrzymanie pracy silnika. Ciąg silnika wytwarzany jest w wyniku wylotu gazów spalinowych z silnika.

13. Systematyka cieplnych silników tłokowych

• Ze względu na sposób zapłonu, który także decyduje o rodzaju użytego paliwa silniki spalinowe dzielą się na:

• silniki o zapłonie iskrowym znane także jako silniki benzynowe

• silniki o zapłonie samoczynnym znane także jako silniki wysokoprężne, lub silniki Diesla

• silniki gazowe

• silniki żarowe

• Ze względu na rodzaj ruchu organu roboczego silniki spalinowe dzielą się na:

• silniki z tłokiem posuwisto-zwrotnym (w tym silnik rotacyjny)

• silniki z tłokiem obrotowym (silnik Wankla, silnik Woźniaka)

• Ze względu na układ cylindrów silniki spalinowe dzielą się na:

• silniki rzędowe

• silniki o przeciwległych cylindrach (silniki przeciwbieżne - silnik bokser), układ nazywany też przeciwsobnym

• silniki wielorzędowe, w tym silniki widlaste (w układzie V lub dwurzędowym) oraz silniki w układzie W (lub trzyrzędowym)

• silniki gwiazdowe

• Ze względu na ilość suwów w cyklu roboczym silniki spalinowe dzielą się na:

• silniki dwusuwowe

• silniki czterosuwowe

14. Zasada pracy silnika dwu- i czterosuwowego.

• Silnik dwusuwowy jest to silnik spalinowy, w którym cztery fazy pracy (ssanie, sprężanie, praca i wydech) wykonywane są w ciągu dwóch suwów (od górnego do dolnego skrajnego położenia) tłoka.

- Suw sprężania - w pierwszej fazie suwu sprężania następuje "przepłukanie" przestrzeni roboczej silnika (1). Wtedy to spaliny powstałe w poprzednim cyklu pracy są wytłaczane przez kanał wydechowy (2), jednocześnie do przestrzeni roboczej przez kanał międzykomorowy (3) napływa mieszanka paliwowa zgromadzona wcześniej w przestrzeni korbowej silnika (4). W dalszej fazie suwu sprężania tłok (5), pełniący także rolę zaworu, zamyka kanał wydechowy i międzykomorowy, odsłaniając jednocześnie kanał ssawny (6). W czasie sprężania paliwa w komorze spalania, świeża porcja mieszanki paliwowej napływa przez kanał ssawny do przestrzeni korbowej silnika.

- Suw pracy - Przed dojściem do górnego martwego położenia tłoka następuje zapłon paliwa, które gwałtownie się rozprężając powoduje ruch tłoka w dół do dolnego skrajnego położenia. W końcowej fazie tego suwu odsłaniany jest kanał wydechowy i spaliny zaczynają opuszczać przestrzeń roboczą. Cykl się powtarza.

• Silnik czterosuwowy jest to silnik spalinowy, którego tłok wykonuje cztery ruchy posowiste w jednym cyklu roboczym.

- Suw ssania - tłok (1) przesuwa się w dół z górnego do dolnego skrajnego położenia. W tym czasie zawór (część silnika spalinowego) ssawny (2) jest otwarty co pozwala na zassanie powietrza lub mieszanki paliwo-powietrznej.

- Suw sprężania - tłok przesuwa się w górę, do górnego skrajnego położenia. powietrze lub mieszanka paliwo-powietrzna zostaje sprężana do wymaganego ciśnienia. Oba zawory ssawny (2) i wydechowy (3) są zamknięte.

- Suw pracy - przed osiągnięciem górnego skrajnego położenia w silnikach wysokoprężnych i tych z elektronicznym wtryskiem paliwa następuje wtrysk paliwa i zapłon samoczynny lub wymuszony iskrą. Spalające się paliwo powoduje gwałtowny wzrost ciśnienia co wymusza ruch tłoka do dolnego skrajnego położenia. Oba zawory ssawny (2) i wydechowy (3) są zamknięte

- Suw wydechowy - tłok porusza się w górę do górnego skrajnego położenia podczas gdy zawór wydechowy jest otwarty. Gazowe produkty spalania paliwa (spaliny) zostają wypchnięte z przestrzeni roboczej silnika.

15. Zasada działania silnika Wankla

Silnik z tłokiem obrotowym jest silnikiem spalinowym, w którym tłok obraca się wewnątrz cylindra. Zmianę objętości roboczej uzyskuje przez mimośrodowe umieszczenie najczęściej trójkątnego tłoka w eliptycznym cylindrze.

W tym silniku tłok w kształcie zbliżonym do trójkąta (1), mimośrodowo umieszczony w eliptycznym korpusie (2), obracając się tworzy komory: ssawną, sprężania, rozprężania (pracy) i wydechową. W zależności od kąta obrotu tłoka komory te zmieniają kształt i objętość. W czasie jednego obrotu tłoka, silnik wykonuje cały cykl pracy - ssanie, sprężanie, rozprężanie i wydech. W momencie gdy mieszanka paliwowo-powietrzna jest maksymalnie sprężona następuje zapłon samoczynny lub wymuszony iskrą tworzoną przez świecę zapłonową. Mieszanka paliwowo-powietrzna dostarczana jest przez kanał doprowadzający (3), a spaliny odprowadzane przez kanał odprowadzający (4). Przeniesienie ruchu tłoka na wał odbywa się przez przekładnię zębatą o zazębieniu wewnętrznym. Przy czym koło zębate większe jest częścią tłoka, a mniejsze częścią wału napędowego.

16. Co znaczy: silnik z zapłonem iskrowym. a co - silnik z zapłonem samoczynnym?

• Silnik o zapłonie iskrowym jest silnikiem cieplnym spalinowym o spalaniu wewnętrznym, w którym spalanie inicjowane jest iskrą powstającą pomiędzy elektrodami świecy zapłonowej.Paliwem spalanym w silniku iskrowym musi być paliwo intensywnie parujace w układzie zasilania silnika w paliwo lub w cylindrze silnika.

• Silnik o zapłonie samoczynnym (silnik samozapłonowy) jest silnikiem cieplnym spalinowym o spalaniu wewnętrznym, w którym spalanie wywoływane jest przekroczeniem ciśnienia krytycznego, w którym następuje samozapłon paliwa. Podczas rozruchu silników tego typu zapłon może być wspomagany dodatkowo innymi metodami, np. świecą żarową. W silniku diesla paliwem jest olej napędowy. W silniku modelarskim paliwem jest eter.

17. Z jakich podstawowych elementów zbudowany jest silnik spalinowy?

Tłok, korbowód, wał korbowy, cylinder.

Układy wspomagające pracę silnika spalinowego: chłodzenia, doładowania, rozruchowy, rozrządu, smarowania, wtryskowy, wydechowy, zapłonowy, zasilający.

Podstawowe zespoły silnika

W skład konwencjonalnego, tłokowego silnika spalinowego wchodzą następujące zespoły:

• kadłub, stanowiący szkielet łączący w całość mechanizmy i części silnika. W kadłubie są umieszczone cylindry silnika oraz są osadzone wat korbowy, elementy mechanizmu rozrządu itd.;

• głowica, przykrywająca kadłub z cylindrami, w której znajdują się przewody dolotowe i wylotowe oraz związane z zaworami elementy mechanizmu rozrządu;

• mechanizm korbowy, którego zadaniem jest zamiana postępowego ruchu tłoka na ruch obrotowy wału korbowego;

• mechanizm rozrządu, który steruje pracą zaworów dolotowego i wylotowego;

• układ smarowania, którego zadaniem jest dostarczanie oleju do wszystkich punktów silnika wymagających smarowania;

• układ chłodzenia, którego zadaniem jest odprowadzanie z cylindrów silnika nadmiernej ilości ciepła wywiązywanego podczas spalania;

• układ zasilania, którego zadaniem jest dostarczanie do cylindrów paliwa i powietrza w odpowiednich proporcjach;

• układ wylotowy, którego zadaniem jest odprowadzanie z silnika spalin usuwanych z cylindrów.

18. Jaki może być układ cylindrów w tłokowym silniku spalinowym wewnętrznego spalania?

Ze względu na układ cylindrów silniki spalinowe dzielą się na:

• silniki rzędowe

• silniki o przeciwległych cylindrach (silniki przeciwbieżne - silnik bokser), układ nazywany też przeciwsobnym

• silniki wielorzędowe, w tym silniki widlaste (w układzie V lub dwurzędowym) oraz silniki w układzie W (lub trzyrzędowym)

• silniki gwiazdowe

19. Podstawowe równanie spalania.

paliwo + powietrze + wilgoć = spaliny suche + para wodna

C_nH_m + (n+m/4)(N₂+O₂) + H₂O = n CO₂<15% + m/2H₂O

ciekłe gazowe N₂<72% gazowe

O₂<1%

SO₂<……

λ- współczynnik nadmiaru powietrza λ=
; λ<1 niezupełne spalanie.

20. W jaki sposób zorganizowane jest przygotowanie mieszanki palnej w silniku spalinowym?

W silnikach o samoczynnym zapłonie powietrze, wcześniej przefiltrowane przez filtr powietrza, jest zasysane przez tłok w czasie suwu ssania. Paliwo jest wtryskiwane przez pompę wtryskową w czasie suwu sprężania, na krótko przed osiągnięciem przez tłok górnego skrajnego położenia.

Klasycznym, choć już rzadko stosowanym rozwiązaniem układu zasilania w silniku o zapłonie iskrowym, jest układ gaźnikowy. W tym rozwiązaniu przefiltrowane wcześniej powietrze miesza się z paliwem w gaźniku, urządzeniu o działaniu podobnym do strumienicy. Paliwo do gaźnika podawane jest przez pompę paliwową. W nowoczesnych silnikach układ gaźnikowy został zastąpiony układem z wtryskiem elektronicznym, w którym wtryskiwacze, podobne jak w silnikach o zapłonie samoczynnym, sterowane są elektronicznym układem logicznym.

21. Jak inicjowany jest proces spalania w silniku o zapłonie iskrowym, a jak w silniku o zapłonie samoczynnym?

• iskrowy - spalanie inicjowane jest iskrą powstającą pomiędzy elektrodami świecy zapłonowej.

• samoczynny - spalanie wywoływane jest przekroczeniem ciśnienia krytycznego, w którym następuje samozapłon paliwa. Podczas rozruchu silników tego typu zapłon może być wspomagany dodatkowo innymi metodami, np. świecą żarową.

22. Podstawowe chemiczne równanie spalania węglowodorowych paliw silnikowych. Podaj podstawowy parametr oceny składu mieszanki palnej. pyt. nr 19,

parametr - λ

23. Jakie najistotniejsze składniki toksyczne występują w spalinach silników spalinowych?

Aldehydy, tlenek węgla, tlenki azotu, tlenki siarki, węglowodory.

24. Dlaczego tak ważne jest odpowiednie zawirowanie powietrza w cylindrze silnika?

Zawirowanie powietrza umożliwia obniżenie zużycia paliwa i toksyczności spalin przy wysokiej mocy maksymalnej, ponieważ paliwo spala się bardziej równomiernie.

Stosując zawirowanie powietrza w cylindrze, można zmniejszyć stopień emisji cząstek stałych przy mniejszych ciśnieniach wtrysku, jednak wzrasta wtedy emisja tlenków azotu. Natomiast ten sam poziom emisji cząstek stałych można uzyskać zwiększając ciśnienie wtrysku przy jednoczesnym zmniejszeniu zawirowań, co nie wywołuje wzrostu emisji tlenków azotu.

25. Co to jest doładowanie silnika? Omów pojęcia: doładowanie sprężarkowe, doładowanie bezsprężarkowe i turbodoładowanie.

Doładowanie stosuje się w celu podniesienia mocy silnika uzyskiwanej z jednego litra pojemności skokowej silnika, optymalnego ukształtowania przebiegu momentu obrotowego, optymalnego napełniania cylindrów, zmniejszenia jednostkowego zużycia paliwa.

Doładowanie mechaniczne jest to doładowanie, w którym sprężarka napędzana jest wprost od wału korbowego poprzez pasek klinowy lub za pomocą przekładni zębatej, a więc zachodzi połączenie mechaniczne pomiędzy sprężarką, a źródłem jej napędu (stąd nazwa tego rodzaju doładowania).

Doładowanie dynamiczne (bezsprężarkowe) polega na takim zaprojektowaniu silnika, aby w pewnych zakresach obrotów nastąpiły zjawiska rezonansowe, pozwalające zwiększyć napełnianie mieszanką. Aby to uzyskać, dobiera się odpowiednio do siebie wszystkie wymiary elementów, przez które przepływa mieszanka, czyli układu dolotowego, wydechowego, wałka rozrządu, głowicy.

Turbosprężarka - maszyna wirowa składająca się z turbiny i sprężarki. Służy do doładowania silnika spalinowego, albo kotła parowego. Mieszanka paliwowa lub powietrze doprowadzane do cylindra wtłaczane są do cylindra za pomocą sprężarki, napęd jej pochodzi z turbiny napędzanej energią spalin opuszczających cylinder pracujący w przeciwnej fazie. Stosowanie turbosprężarki zwiększa moc silnika przy danej pojemności.

26. Systemy doprowadzania paliwa w silniku o zapłonie iskrowym.

• system gaźnikowy,

• wtrysk jednopunktowy (SPI) - jeden wtryskiwacz umieszczony w kolektorze dostarcza paliwo dla wszystkich cylindrów,

• wtrysk wielopunktowy (MPI) - każdy cylinder ma osobny wtryskiwacz, umieszczony w kolektorze, przed zaworem ssącym,

• wtrysk bezpośredni (GDI) - wtryskiwacz umieszczony jest w cylindrze.

27. Systemy doprowadzania paliwa w silniku o zapłonie samoczynnym.

• pompa rozdzielaczowi,

• common rail,

• układ uis,

• pompowtryskiwacze UPS

28. Jaka jest budowa i funkcja reaktora katalitycznego w układzie wylotowym silnika spalinowego?

budowa:

1 - ceramiczny monolit z warstwą katalizatora

2 - elastyczny oplot z drutu

3 - czujnik zawartości tlenu (sonda lambda)

4 - obudowa z blachy (stopowej)

Neutralizuje trzy główne toksyczne składniki spalin (tlenek węgla, węglowodory i tlenki azotu).

29. Co to jest charakterystyka napędowa pojazdu i w jaki sposób zależy od charakterystyki źródła napędu?

Charakterystyka silnika jest to przebieg wykresów momentu obrotowego oraz mocy.

Niezależnie od rodzaju i stopnia rozbudowy układu przeniesienia napędu, źródłem napędu pozostaje silnik, wszystkie pozostałe zespoły pełnią funkcję pośredniczącą, umożliwiającą właściwe wykorzystanie mocy (momentu) przez niego wytwarzanej.

---