1. Wstęp teoretyczny

Silnik spalinowy jest maszyną energetyczną, która jest wykorzystywana do zamiany energii chemicznej zawartej w paliwie na pracę mechaniczną. Silnik wykorzystuje sprężanie i rozprężanie czynnika termodynamicznego (gazu) w celu wytworzenia momentu obrotowego lub siły.

Silniki spalinowe zbudowane są z elementów przystosowanych im do działania. Podstawowym elementem silnika jest kadłub, na którym umieszczone są cylindry z tłokami. Do sprawnej pracy silnika wykorzystywane są różne typy układów. Wyróżnia się następujące układy:

• układ korbowy -  zamienia posuwisto-zwrotny ruch tłoka w cylindrze na ruch obrotowy wału korbowego

• układ rozrządu – steruje procesem napełniania się cylindrów świeżą mieszanką paliwowo-powietrzną albo samym powietrzem a także opróżnianiem cylindrów ze spalin;

• układ zasilania – zaopatruje cylinder w mieszankę paliwowo-powietrzną lub osobno paliwo i powietrze

• układ smarowania – jest odpowiedzialny za uzupełnianie braków oleju pomiędzy współpracującymi ze sobą częściami silnika, w celu zmniejszenia oporów oraz tarcia;

• układ chłodzenia – utrzymuje najlepszą temperaturę dla danego silnika, która daje możliwość ekonomicznej pracy;

• układ zapłonowy (wykorzystuje się go jedynie w silnikach z zapłonem iskrowym) - wywołuje zapłon mieszanki;

• układ rozruchowy – odpowiedzialny za uruchomienie silnika (bardzo często jest to rozrusznik elektryczny).

Ciepło powstające podczas spalania paliwa jest skutkiem bardzo dużego wzrostu ciśnienia

w cylindrze, a rozprężające się gazy spalinowe powodują przesuwanie tłoka, który za pomocą korbowodu egzekwuje obrót wału korbowego silnika. Tłoki wykonują te czynności cały czas. Podczas każdego pełnego ruchu tłoka, tłok znajduje się dwukrotnie w skrajnym położeniu (dolne i górne). Położenie, podczas którego znajduje się on najdalej od wału korbowego jest nazywane górnym martwym położeniem, natomiast dolnym martwym położeniem nazywamy moment, kiedy tłok znajdzie się najbliżej wału korbowego. Skokiem tłoka nazywamy przemieszczenie między tymi dwoma położeniami, suwem nazywamy ruch występujący podczas przemieszczania.

Tłokowe silniki spalinowe można podzielić wg kilku kryteriów. Ze względu na sposób zapłonu mieszanki silniki spalinowe dzielimy na silniki z zapłonem iskrowym (ZI) i z zapłonem samoczynnym (ZS). Ze względu na liczbę suwów silniki dzieli się na: dwusuwowe i czterosuwowe ZI i ZS. Biorąc pod uwagę zasilanie powietrzem można rozróżnić silniki wolnossące (dolot powietrza wywołany jest ruchem tłoka) oraz silniki z doładowaniem (doładowanie polega na wtłoczeniu do cylindra dodatkowej ilości powietrza w suwie ssania). Ze względu na stopień sprężenia mieszaniny w cylindrze podział jest następujący: niskoprężne i wysokoprężne. Następna klasyfikacja uwzględnia liczbę cylindrów. Rozróżniamy: jednocylindrowe, wielocylindrowe. Ze względu na sposób chłodzenia dzielimy silniki na: chłodzone powietrzem i chłodzone cieczą (na ogół wodą). Natomiast zależnie od ulokowania zaworów rozróżniamy: dolnozaworowe, górnozaworowe.

Cykl pracy silnika tłokowego czterosuwowego z zapłonem iskrowym można opisać kilkoma etapami. W pierwszym etapie działania takiego silnika praca rozpoczyna się suwem ssania, podczas którego otwarty jest zawór wlotowy (ssący), dzięki czemu komora robocza w cylindrze napełnia się świeżą mieszanką paliwowo-powietrzną. Drugim etapem jest suw sprężania – tłok porusza się do góry przy zamkniętych zaworach w wyniku czego następuje sprężenie mieszanki i w ostateczności, kiedy tłok znajdzie się w swoim szczytowym górnym położeniu - zapłon mieszanki wywołany iskrą elektryczną. Spalanie mieszanki odbywa się w bardzo szybkim tempie, tak, że położenie tłoka prawie się nie zmienia, dzięki czemu można założyć, że spalanie odbywa się przy stałej objętości. Kolejny etap to suw pracy gdzie następuje nagły wzrost ciśnienia gorących gazów, który wymusza poruszanie się tłoka do dolnego położenia. Ostatnim etapem cyklu pracy silnika czterosuwowego jest suw wylotu, podczas którego tłok porusza się ku górze i wypycha spaliny poprzez otwarty zawór wylotowy.

Cykl pracy silnika tłokowego dwusuwowego składa się tylko z suwu sprężania, gdzie następuje wytłaczanie spalin przez kanał wydechowy i suwu pracy, gdzie paliwo ulega zapłonowi, gazy ulegają rozprężaniu, przez co tłok porusza się w dół.

Zasilanie paliwem silników tłokowych można podzielić na układy : gaźnikowe i wtryskowe. Jeśli mamy do czynienia z pierwszym z obu układów, regulacja zasilania polega na dławieniu dopływu mieszanki paliwowo-powietrznej o lekko przebogaconym składzie (współczynnik nadmiaru powietrza λ<1), ponieważ taki skład doprowadzanej mieszanki pozwala uzyskać maksymalną moc „z danej pojemności” – prędkość spalania osiąga maksimum, a na skutek dysocjacji produktów spalania uzyskany efekt energetyczny jest niższy niż teoretyczny. Mieszanka o takim składzie zmniejsza zużycie zaworów wylotowych, dzięki niższej temperaturze spalin. Pomimo kilku zalet, układy gaźnikowe mają także wady, gdzie istotna jest niemożność precyzyjnego ustalenia składu mieszanki oraz inne takie jak straty dławienia przepływu, strata niezupełnego spalania oraz emisja węglowodorów i tlenku węgla, która wynika z niedopału. Układy wtryskowe w przeciwieństwie do gaźnikowych umożliwiają precyzyjne dozowanie paliwa oraz ustalanie składu mieszanki w zależności od obciążenia. Układy te wypierają
z użycia układy gaźnikowe, co spowodowane jest rozpowszechnieniem metody katalitycznego oczyszczania spalin w motoryzacji. Obecnie używa się następujących typów układów wtryskowych:

• jednopunktowy (do kolektora) – SPI (ang. Single Point Injection)

• wielopunktowy (do przewodu dolotowego) – MPI (ang. Multipoint Injection)

• bezpośredniego wtrysku

Układy bezpośredniego wtrysku, umożliwiły użycie bardzo ubogich mieszanek, które wcześniej nie było dobrym rozwiązaniem ze względu na niestabilną pracę silnika oraz emisję niespalonych węglowodorów. Układy te umożliwiają zmniejszenie zużycia paliwa o ok. 25%, a także pozwalają zmniejszyć emisję CO, CH i NO_x o rząd wartości (przy porównaniu z emisją z silników o konwencjonalnym zasilaniu)

Silniki tłokowe spalinowe z zapłonem samoczynnym (Diesla) najczęściej działają na zasadzie czterosuwu, z wyjątkiem dla dużych silników stosowanych w przemyśle i okrętownictwie (dwusuwowe). W momencie kiedy powietrze ulega maksymalnemu sprężeniu następuje wtrysk paliwa, które ulega zapłonowi po zetknięciu z gorącym powietrzem. Sam proces spalania w silniku o zapłonie samoczynnym jest dosyć skomplikowany i można go podzielić na kilka faz. Na początku krople oleju w gorącym powietrzu parują, dzięki czemu tworzą w warstwie przyściennej mieszankę palną. Zapłon jest opóźniony, a samo opóźnienie ma charakter fizyczny i chemiczny. Czas opóźnienia liczony od chwili wtrysku paliwa obejmuje rozpad strugi paliwa, ogrzewanie i parowanie oleju, a także dyfuzję tlenu do kropli. Chemiczne opóźnienie obejmuje reakcje łańcuchowe zachodzące między węglowodorami a tlenem, które przechodzą w „zimne” płomienie, „gorący” zapłon, aż do momentu, kiedy pojawi się płomień kinetyczny, który znacznie zużywa nagromadzoną mieszankę par z powietrzem. Pierwsza faza spalania (kinetyczna) zależy od czasu opóźnienia zapłonu, ponieważ im jest dłuższy, tym więcej paliwa zostanie odparowane, a faza ta będzie gwałtowniejsza. Druga faza spalania kropel paliwa jest drugim etapem zużycia paliwa. Trzecia faza spalania obejmuje dopalenie paliwa o charakterze kinetycznym.

Sprawność η tłokowego silnika spalinowego o zapłonie iskrowym wyznacza się przy uwzględnieniu obiegu porównawczego Otto. Wyraża się ją wzorem:

$$\eta = 1 - \frac{1}{\varepsilon^{\kappa - 1}}$$

gdzie: $\varepsilon = \frac{V_{1}}{V_{2}}$ jest nazywany stopniem sprężania i oznacza stosunek objętości cylindra do objętości szkodliwej, $\kappa = \frac{c_{p}}{c_{v}}$ .

Sprawność wzrasta wraz ze zwiększeniem stopnia sprężenia i wykładnika kappa. Stopień sprężania

w silnikach spalinowych z zapłonem iskrowym znajduje się w zakresie od 8:1 do 11:1, ale w praktyce rzadko przekracza 8,5. Ograniczenie spowodowane jest możliwością wystąpienia spalania stukowego, które zwiększa straty cieplne, a objawia się gwałtownymi drganiami, które powodują niszczenie tłoka, pierścieni i łożysk.

Sprawność tłokowego silnika spalinowego z zapłonem samoczynnym podobnie jak przy sprawności silnika spalinowego o zapłonie iskrowym zależy od stopnia sprężania ale ponadto od stopnia obciążenia silnika φ.

$$\eta = 1 - \frac{1}{\kappa}\frac{1}{\varepsilon^{\kappa - 1}}\frac{\varphi^{\kappa} - 1}{\varphi - 1}$$

gdzie: $\varphi = \ \frac{V_{3}}{V_{2}}$

Stopień sprężania w silniku Diesla znajduje się w zakresie od 14:1 do 20:1, czyli jest znacznie wyższy od tego w silniku z zapłonem iskrowym, z czego wynika, że jest od niego bardziej sprawny.

1. Opis laboratorium

Przed wykonaniem ćwiczenia zapoznano się ze stanowiskiem. Pracownik techniczny uruchomił silnik spalinowy po odczytaniu początkowego stanu paliwa. Dokonano trzech pomiarów objętości pozostałego paliwa przy trzech różnych obciążeniach układu równym P₁ = 600W, P₂ = 1000W i P₃ = 1400W przy początkowym założeniu, że czas pojedynczego pomiaru trwa 4 minuty. Wyniki zanotowano
w załączonym protokole.

Rysunek 1. Schemat stanowiska pomiarowego

1. oporniki

2. watomierz

3. autotransformator

4. generator prądotwórczy

5. silnik spalinowy

6. naczynie z paliwem

7. katalizator

1. Tabela pomiarowa

Tabela 1. Zestawienie danych pomiarowych

Lp.	P	V1	V2
	W	ml	ml
1	600	245	195
2	1000	195	140
3	1400	140	75

gdzie: P – moc

V₁ – objętość paliwa przed

V₂ - objętość paliwa po

1. Przykładowe obliczenia dla pierwszego punktu pomiarowego:

• Ubytek paliwa podczas jednego pomiaru:

$$\dot{V} = \frac{V}{t}$$

$$\dot{V} = \frac{245 - 195}{240} = 2,08 \bullet 10^{- 4}\frac{\text{dm}3}{s}$$

• Sprawność silnika spalinowego:

$$\eta = \frac{P}{\eta_{p} \bullet \dot{V} \bullet \rho \bullet W_{r}} = \frac{600}{0,85 \bullet 2,08 \bullet 10^{- 4} \bullet 0,73 \bullet 42 \bullet 10^{6}} = 0,11$$

• Natężenie zużycia paliwa

$$G = \ \frac{V_{p} \bullet \rho\ }{t} = \ \frac{50 \bullet \ 0,73}{240} = 0,15208\ \frac{g}{s} = 0,547\frac{\text{kg}}{h}\text{\ \ \ }$$

• Jednostkowe zużycie paliwa

$$g = \ \frac{G \bullet \ 1000}{N} = \ \frac{0,547\ \bullet 1000}{2,5} = 219\ \frac{g}{kW \bullet h}\text{\ \ \ }$$

$\dot{V}$ – strumień objętości paliwa

t – czas pomiaru

P – obciążenie

η – sprawność silnika

η_p –

ρ – gęstość paliwa

W_r - wartość opałowa

V_p – objętość paliwa zużyta w czasie t

N – moc efektywna silnika (2,5 kW)

1. Tabela wynikowa

Tabela 2. Zestawienie wyników

Lp.	P	$$\dot{V}$$	η	g
	W	$$\frac{\text{dm}3}{s}$$	%	$$\frac{g}{kW \bullet h}$$
1	600	2,08•10^−4	11	219
2	1000	2,29•10^−4	17	241
3	1400	2,71•10^−4	20	284

1. Wnioski

Na podstawie uzyskanych wyników i przeprowadzonych obliczeń widać, że wraz ze wzrostem obciążenia sprawność efektywna badanego silnika spalinowego rośnie – przy pierwszym obciążeniu równym P₁ = 600W wyniosła η₁ = 11% , a przy ostatnim i najwyższym równym P₃ = 1400W wzrosła do η₁ = 20%.
Im wyższe obciążenie, a zatem i wyższa sprawność efektywna , tym wyższy jest ubytek paliwa. W naszym ćwiczeniu nie przeprowadzaliśmy pomiarów przy obciążeniu, dla którego sprawność zaczynałaby spadać.

Badany przez nas silnik charakteryzuje się maksymalną sprawnością przy obciążeniu P = 1400 -1800W, można więc wnioskować, że obliczenia zostały wykonane poprawnie. Sprawności ogólne silników spalinowych wynoszą na ogół η_e = 25 ÷ 40%, a zatem obliczona przez nas sprawność jest niższa od standartowych. Taki wynik może być spowodowany zbyt krótkim czasem pomiaru.

Jednostkowe zużycie paliwa rośnie wraz z obciążeniem a jego wartości są dosyć rozbieżne – wahają się od 219 do 284 $\frac{g}{\text{kW} \bullet h}$. Na silnik osiąga wartości minimalnego jednostkowego zużycia paliwa odpowiadającego silnikom montowanym w samochodach ciężarowych (240-260), ale także w maszynach roboczych (230 – 250). Na uzyskane wartości mógł mieć wpływ niedokładny odczyt zużytej objętości paliwa (zużycie paliwa rosło wraz z obciążeniem).