VI. ZAGADNIENIA:

1.Uwagi ogólne dotyczące obiegów rzeczywistych tł. silników spalinowych.

2.Założenia do obiegów porównawczych.

3.Obieg rzeczywisty silnika.

- suw dolotu

- sprężanie

- uwagi ogólne o spalaniu

- rozprężanie

- suw wylotu

LITERATURA : J.A. Wajand - "SILNIKI O ZAPLONIE SAMOCZYNNYM"

S. Ciesielski - "OKRĘTOWE SILNIKI SPALINOWE" cz. I

ZAGADNIENIA :

=============

1. UWAGI OGÓLNE DOTYCZĄCE OBIEGÓW RZECZYWISTYCH TŁOKOWYCH SILNIKÓW

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

SPALINOWYCH

----------------------------

Obiegi teoretyczne odwzorowują,w warunkach idealnych,przemiany termodynamiczne zachodzące w rzeczywistym silniku.

Wobec tego umożliwiają tylko wstępną ocenę i przeprowadzenie bardzo przybliżonej analizy analizy szeregu współzależności parametrów projektowanego silnika ,a więc w również jakości zamiany energii cieplnej na mechaniczną zachodzącą w tłokowym

silniku spalinowym.Jednak bardzo często zachodzi konieczność dokładniejszej (niż umożliwiają to obiegi teoretyczne) analizy tego

procesu.Najdogodniejszą sytuacją byłoby zaprojektowanie obiegu odwzorowującego rzeczywiste przemiany zachodzące w przestrzeni

roboczej silnika.

Obieg rzeczywisty silnika przedstawia przebieg zmian ciśnienia w cylindrze silnika podczas jego pracy,bądź w funkcji objętości

cylindra bądź w funkcji kąta obrotu wału korbowego.Wartość tego ciśnienia jest wypadkową powstającą w wyniku jednoczesnego współdziałania wszystkich zjawisk zachodzących w danej chwili w cylindrze.A zatem, ze względu na ogromną złożonośćtych zjawisk jest obecnie niemożliwe zaprojektowanie obiegu rzeczywistego.Można jedynie zaprojektować obieg porównawczy o różnym stopniu przybliżenia do obiegu rzeczywistego.Dobór tego przybliżenia zależy od projektującego oraz od stojących do dyspozycji środkoów technicznych.

Podstawą cieplnego obliczenia silnika jest więc zwykle obieg porównawczy,a nie obieg teoretyczny ani rzeczywisty.

rys.1 Obiegi silnika : a) teoretyczny, b) porównawczy, c) rzeczywisty (wykres indykatorowy)

2.ZAŁOŻENIA DO PROJEKTOWANIA OBIEGÓW PORÓWNAWCZYCH

-------------------------------------------------------------------------------------------

Obieg porównawczy umożliwia obliczeniową analizę wielu zjawisk w sposób bardziej przybliżony do rzeczywistego ich

przebiegu w cylindrze silnika.Stopień przybliżenia obiegu porównawczego do obiegu rzeczywistego zależy przede

wszystkim od projektującego i związany jest z przeznaczeniem tego obiegu i jego analizy.

Obieg porównawczy sporządza się przy założeniach,które mogą być w pewnym stopniu przyjmowane dowolnie.Oto one

- czynnikiem w obiegu jest gaz półdoskonały lub gaz rzeczywisty;uwzlędnia się więc zmienność ciepła

właściwego wraz ze zmianą temperatury

- masa czynnika biorąca udział w obiegu nie jest stała (strata czynnika przez nieszczelności cylindra)

- napełnienie cylindra świeżym ładunkiem oraz usunięcie spalin wymaga doprowadzenia pracy,którą

uwzględnia się projektując część wykresu odpowiadającą tej wymianie

- podczas wymiany ładunku w cylindrze powstają straty przepływu w kanałach dolotowych i wylotowych

powodując zmniejszenie współczynnika napełnienia;podobny wpływ ma podgrzanie świeżego ładunku

podczas przepływu przez kanał dolotowy w głowicy cylindra

- w komorze spalania po zakończonym wylocie pozostaje zawsze pewna ilość spalin,które podgrzewają świeży

ładunek oraz go zanieczyszczają

- doprowadzenie i odprowadzenie ciepła nie odbywa się poprzez podgrzewanie i oziębianie,lecz przez spalanie

mieszaniny paliwowo - powietrznej ;spalanie to może być całkowite lub niecałkowite,zupełne lub

niezupełne,może przebiegać powoli lub szybko

- w casie trwania całego obiegu dokonuje się ciągła wymiana ciepła pomiędzy czynnikiem a ściankami cylindra,

tłoka i głowicy oraz dalej pomiędzy tymi ściankami a czynnikiem chłodzącym

3.OBIEG RZECZYWISTY SILNIKA

---------------------------------------

- suw napełnienia

Suw napełnienia,nazywany także suwem ssania lub doładowania,odbywa się przy ruchu tłoka od GMP do DMP,przy otwartym zaworze

dolotowym.W czasie tego suwu cylinder silnika zostaje napełniony świeżym powietrzem pod wpływem różnicy ciśnień panujących

w przewodzie dolotowym i cylindrze silnika.

Wskutek oprów przepływu,powstających w przewodzie i zaworze dolotowym,ciśnienie w cylindrze silnika wolnossącego w czasie

napełniania jest niższe od ciśnienia atmosferycznego.Ponadto,wskutek zmiennej prędkości tłoka,prędkość zasysanego czynnika również

się zmienia.To pociąga za sobą zmiany ciśnienia w cylindrze w czasie całego suwu.

rys.2 Przykład rzeczywistego przebiegu zmian ciśnienia w cylindrze podczas suwu dolotu

Ze względu na to,że posługiwanie się zmiennym ciśnieniem napełniania jest niewygodne,wprowadza się średnią wartość ciśnienia

napełniania p1,którą nazywa się po prostu ciśnieniem napełniania (rys.3)

rys.3 Uproszczony wykres przebiegu napełnienia.

Suw napełniania rozpoczyna się w punkcie 6, natomiast rzeczywisty początek napełniania cylindra świeżym ładunkiem - w punkcie 7.Część suwu odpowiadająca odcinkowi 6 - 7 zostaje stracona na rozprężenie spalin pozostałych w cylindrze z poprzedniego obiegu.

Suw napełniania kończy się w punkcie 1,natomiast właściwe napełnianie cylindra w zasadzie w punkcie 8.Napełnianie cylindra na części wykresu 1 - 8 występuje dlatego,że w cylindrze panuje ciśnienie niższe od ciśnienia atmosferycznego i energia kinetyczna nadana słupowi powietrza przepływającemu przez przewód dolotowy powoduje jeszcze ruch powietrza i jego dopływ do cylindra,mimo że właściwy suw napełniania został już zakończony.Z tego też powodu pozostawia si zawór dolotowy otwarty przez pewien czas po przejściu tłoka przez DMP.

Wartść ciśnienia w cylindrze w czasie suwu napełniania zależy od długości i średnicy przewodów dolotowych.Ciśnienie napełniania maleje wraz ze wzrostem oporów przepływu.Wartość tych oporów jest między innymi proporcjonalna do kwadratu prędkości przepływu.Zwiększanie prędkości obrotowej silnika powoduje wzrost prędkości przepływu wywołując z kolei wzrost oporów przepływu i spadek ciśnienia napełniania (rys.4)

rys.4 Zmiany przebiegu napełniania wywołane : a) zwiększeniem n , b) zwiększeniem oporów przepływu w kanale dolotowym

- suw sprężania

Sprężanie w rzeczywistym silniku nie przebiega izentropowo jak w obiegu teoretycznym,lecz wg przemiany o zmieniającym się wykładniku przy V.Linia wykresu tej przemiany leży w przybliżeniu pomiędzy izotermą a izentropą.Sprężanie przebiega przy stałej wymianie ciepla pomiędzy ładunkiem a ściankami cylindra i komory spalania,a także przy stałym uchodzeniu pewnej części ładunku przez nieszczelności.

Wielkością,od której w zasadniczy sposób zależą parametry termodynamiczne ładunku w końcu sprężania,jest stopień sprężania wyrażony stosunkiem :

Rozpatrując przebieg sprężania łatwo zauważyć,że w początkowym okresie temperatura śiweżego ładunku jest niższa od temperatury ścianek cylindra i ładunek zostaje podgrzany;do ładunku jest wię doprowadzane ciepło ,co powoduje zwiększenie wykładnika politropy sprężania, czyli m1 > .Przy dalszym sprężaniu różnica temperatur pomiędzy ściankami cylindra i gazem maleje,co powoduje zmniejszanie wykładnika politropy.W chwili gdy temperature ścianek i ładunku będą sobie równe wykładnik przemiany sprężania osiągnie wartość równą wykładnikowi izentropy.

Pod koniec sprężania kierunek przepływu ciepła zmieni się i ścianki cylin-

dra będą ogrzewane od sprężanego ładunku.nastąpi odprowadzanie ciepła od

powietrza,więc wykładnik politropy sprężania przyjmie wartości mniejsze niż

wykładnik izentropy,a zatem Pod sam koniec sprężania odprowadza-

nie ciepła od gazu do ścianek staje się coraz mniejsze,ponieważ powierz-

chnia wymiany ciepła maleje (rys.5)

rys.5 Przebiegi sprężania przy wymianie ciepła

W celu uproszczenia przyjmuje się e przemiana sprężania jest przemianą po-

litropową o stałym średnim wykładniku m1Wartść tego wykładnika wynosi dla

silników wolnossących ok. 1, 34 - 1, 4, zaś dla silników doładowanych ok.

1, 34-1, 37. Przeciętne wartości wykładnika politropy mniejsze od wykładni-

ka izentropy wskazują na to, iż podczas sprężania ciepło jest w większym

stopniu oddawane przez gazy do ścianek cylindra niż ze ścianek pobierane.

Ponadto uwidacznia się tu wpływ nieszczelności cylindra.

Na wartość wykładnika politropy sprężania mają wpływ :

- powierzchnia zetknięcia się gazów ze ściankami cylindra - im większa ta

powierzchnia, tym większa jest ilość ciepła przechodzącego od gazów do

ścianek, a tym samym zmniejsza się wykładnik politropy

- intensywność chłodzenia - im intensywniej jest silnik chłodzony, tym wy-

kładnik politropy jest mniejszy.

- prędkość obrotowa - zwiększenie prędkości obrotowej powoduje zmniejszenie

czasu wymiany ciepła oraz zmniejszenie części ładunku straconej przez nie-

szczelności cylindra. Powoduje to zatem zwiększenie wartości wykładnika po-

litropy

- obciążenie silnika - wraz ze wzrostem obciążenia średnia temperatura

ścianek cylindra rośnie, a to powoduje zwiększone oddawanie ciepła przez

ścianki na pocątku sprężania i zmniejszoną wymianę ciepła na końcu spręża-

nia, w rezultacie wartość wykładnika zwiększa się

- spalanie

Do głównych parametrów termodynamicznych i wskaźników przebiegu spalania

zalicza sie :

- największe ciśnienie spalania - wynosi w silnikach wolnossących 6-1O MPa

zaś w silnikach doładowanych może sięgać do ok. 15 MPa,zależnie od stop-

nia doładowania

- największa temperatura spalania - mieści się zwykle w granicach 18OO -

23OO K zarówno w silnikach wolnossących jak i doładowanych

- stopień przyrostu ciśnienia - wynosi średnio 1,6 - 2,2

- stopień przyrostu objętości - mieści się w granicach 1, 3 - 1, 8 dla sil-

ników średnioobrotowych, oraz ok. 1, 2 - 1, 6 dla silników szybkoobroto-

wych

- średnia prędkość narastania ciśnienia - wynosi ok. O,4 - 1,O MPa/1 OWK,i

jest uzależninona od rodzaju komory spalania,prędkości obrotowej silnika

a także od niektórych parametrów konstrukcyjnych silnika

- rozprężanie

W silniku rzeczywistym rozprężenie nie przebiega izotopowo, lecz wg prze-

miany leżącej pomiędzy izotermą i izentropą o zmiennej wartości wykładnika.

Przyczyną tego jest dopalanie paliwa, upływ spalin przez nieszczelności cy-

lindra oraz chłodzenie silnika. Intensywność dopalania zależy od obciążenia

silnika, przebiegu spalania,od kąta wyprzedzenia wtrysku i przygotowania

mieszaniny palnej,wartści współczynnika nadmiaru powietrza i wielu innych

czynników.

Rozprężanie przebiega więc przy stałej wymianie ciepła między ładunkiem

znajdującym się w cylindrze a ściankami cylindra.

Rozpatrując kolejne fazy rozprężania łatwo stwierdzić,że w początkowym

okresie,kiedy trwa jeszcze spalanie,ciepło jest doprowadzane do czynnika.W

tej części suwu wykładnik przemiany m2 będzie więc mniejszy od wykładnika

izentropy,czyli m2< .

W dalszym ciągu rozprężania,po zakończeniu dopalania,wartość wykładnika m2

zwiększa się,a pod koniec rozprężania może osiągnąć lub nawet przekroczyć

wartość wykładnika izentropy.Jeżeli ilość ciepła przekazywana ściankom cy-

lindra przez czynnik będzie większa od ilości ciepła dostarczanego do czyn-

nika przez dopalanie,to linia rozprężania będzie przebiegała bardziej stro-

mo i zbliży się do przebiegu izentropy.Jest to zjawisko niekorzystne ze

względu na pole wykresu obiegu (pracę obiegu).

Jeśli natomiast ilość ciepła dostarczonego przez dopalanie będzie większa

to wartośc wykładnika m2 będzie mniejsza,a linia wykresu przemiany będzie

przebiegać łagodniej niż izentropa - powoduje to straty cieplne obiegu;zma-

leje sprawność cieplna obiegu.

W celu uproszczenia obliczeń przyjmuje się,że przemiana rozprężania jest

przemianą politropową o stałym średnim wykładniku m2.Wartość trego wykład-

nika wynosi zwykle ok. 1,28 - 1,15.(rys.6)

rys.6 Przebiegi rozprężania przy wymianie ciepła.

Na wartość wykładnika politropy rozprężania mają wpływ :

- powierzchnia zetknięcia się gazów ze ściankami cylindra - jeżeli rośnie

to m2 rośnie;

- intensywność chłodzenia - im większa tym m2 większe

- prędkość obrotowa silnika - w miarę zwiększania n następuje zmniejszanie

wykładnika m2, ponieważ czas wymiany ciepla maleje, a więc straty cieplne

są mniejsze, co powoduje że przebieg politropy jest łagodniejszy

- obciążenie silnika - wzrost obciążenia powoduje zwiększenie m2 z powodu

większego dopalania

Ogólnie,wszelkie straty cieplne,a także straty czynnika przez nieszczelnoś-

ci cylindra powodują zwiększenie wartości wykładnika politropy,a tym samym

bardziej stromy przebieg przemiany.Odpowiada to zmniejszeniu pola ptracy na

wykresie obieguy (rys.6)

- wylot

Wylot w silniku czterosuwowym dzieli się zwykle na trzy okresy :

- Pierwszy okres rozpoczyna się z chwilą otwarcia zaworu wylotowego i trwa

w przybliżeniu do DMP. W okresie tym spaliny rozprężają się gwałtownie

wskutek znacznej różnicy ciśnień i uchodzą z cylindra z dużą prędkością

sięgającą 3OO - 5OO m/s. Pod koniec tego okresu ciśnienie spalin w cylin-

drze spada i wylot spalin odbywa się z prędkościami mniejszymi niż prędkoś-

ci krytyczne

- Drugi okres wylotu stanowi właściwy suw wylotu,w czasie którego wylot

spalin z cylindra wywołany jest ruchem tłoka.Prędkość spalin jest tu zmien-

na wskutek zmiennej prędkości tłoka

- Trzeci okres - spaliny uchodzą z cylindra przy nieznacznej różnicy ciś-

nień i pod wpływem odsysającego działania słupa spalin przepływającego

przez przewód wylotowy ze znaczną jeszcze prędkością. W celu lepszego wyko-

rzystania tego zjawiska zamyka się zawór wylotowy po przejściu tłoka przez

GMP.



---