1. Podział tłokowych silników spalinowych.

Tłokowy silnik spalinowy - źródło napędu mechanicznego, w którym następuje zamiana energii chemicznej zawatej w paliwie na energię mechaniczną. Zamiana zachodzi wskutek spalania paliwa i zmiany parametrów termodynamicznych czynnika roboczego, w komorze spalania silnika. Z tego względu rozróżniamy silniki o spalaniu wewnętrznym (silnik samochodu) i zewnętrznym (tłokowa maszyna parowa - czynnik roboczy para wodna). Wspólną cechą tych silników jest rozprężanie czynnika roboczego w cylindrze oraz układ korbowo-tłokowy. Podział tłokowych silników spalinowych może być dokonywany ze względu na:

a). Sposób realizacji cyklu pracy:

• dwusuwowy - sprężanie i rozprężanie podczas jednego obrotu wału korbowego;

• czterosuwowy - napełnianie, sprężanie, rozprężanie, wylot podczas dwóch obrotów wału korbowego;

b). Sposób zapłonu mieszanki palnej: za pomocą iskry elektrycznej (ZI), przez samozapłon (ZS);

c). Sposób zasilania silnika powietrzem lub mieszanką palną (zewn lub wewn sposób tworzenia mieszanki):

• bezpośrednio z otoczenia - silniki wolnossące (atmosferyczne);

• pośrednio, po wstępnym sprężeniu czynnika przed cylindrem - doładowane;

d). Zastosowanie silnika:

• napędy maszyn roboczych oraz prądnic - silniki przemysłowe;

• napędy środków transportu drogowego oraz szynowego - silniki trakcyjne;

• napędy śrubowe jednostek pływających oraz samolotów - silniki napędu śrubowego;

e). Warunki współpracy silnika z odbiornikiem mocy:

• stała prędkość obrotowa silnika oraz zmienne obciążenie;

• zmienna prędkość obrotowa silnika oraz zmienne obciążenie;

• obciążenie silnika stanowi funkcję prędkości obrotowej (silniki śrubowe);

2. Podstawowe układy, zespoły i mechanizmy tłokowego, czterosuwowego silnika spalinowego.

Kadłub silnika­ - nieruchome części podtrzymujące poruszające się elementy mechanizmu korbowo-tłokowego; dolna pokrywa skrzyni korbowej, kadłub, cylindry, głowica/e cylindrów;

Mechanizm korbowodowy - składa się z elementów ruchomych przejmujących ciśnienie gazów i zamieniający ruch postępowy na obrotowy. Ponadto, elementy te przenoszą siły na wał korbowy. Mech. ten obejmuje kompletne tłoki, korbowody, wał korbowy, koło zamachowe;

Mechanizm rozrządu - służy do realizacji w określonej kolejności wydechu produktów spalania i napływu do cylindra świeżego ładunku. Składa się z kolektorów dolotowych i wylotowych oraz elementów pobierających napęd od wału korbowego: drążki, popychacze, dźwigienki, wałek rozrządu, koła zębate.

System zaopatrzenia w powietrze - obejmuje sprężarkę lub turbosprężarkę, elementy napędu, zbiornik powietrza, chłodnicę powietrza, filtr powietrza, tłumik szmerów ssania.

Układ zasilania (paliwowy) - składa się z elementów i mechanizmów zapewniających przygotowanie i rozpylenie paliwa oraz regulację jakości lub ilosci ładunku w cylindrze. Układ zasilania silnika ZS zawiera zbiornik paliwa, pompy doprowadzające (niskiego ciśnienia), filtry, pompy wysokiego ciśnienia, regulatory, przewody paliwowe, wtryskiwacze. Układ zasilania silników z zewnętrznym sposobem tworzenia mieszanki palnej: gaźniki lub mieszalniki, regulatory i inne.

Układ smarowania - niezależne urządzenia i mechanizmy służące do doprowadzenia oleju do współpracujących powierzchni i elementów chłodzonych: smarownice, pompy oleju, filtry, zbiorniki oleju, chłodnice oleju itp.

Układ chłodzenia - służy do chłodzenia elementów stykających się ze spalinami. Chłodzenie może być dokonywane wodą, specjalną cieczą, powietrzem, olejem i paliwem (chłodzenie tłoków, pompo-wtryskiwaczy). Zależnie od sposobu chłodzenia danej grupy elementów układ chłodzenia stanowią urządzenia i mechanizmy, służące do doprowadzania czynnika roboczego do detali silnika i wymienniki ciepła.

Układ zapłonowy (tylko ZI) - służy do zapłonu mieszanki palnej sprężonej w cylindrze. Składa się z obwodu elektrycznego niskiego i wysokiego napięcia; akumulator, cewka i rozdzielacz zapłonu/moduł elektroniczny, przewody wysokiego napięcia, świece zapłon.

3. Uogólniony, termodynamiczny, teoretyczny obieg czterosuwowego tłokowego silnika spalinowego.

W silnikach tłokowych wolnossących i doładowanych o zapłonie wymuszonym i zasilanych benzyna lub gazem proces spalania zachodzi w pobliżu GMP. Przyjmuje się, że doprowadzenie ciepła zachodzi przy stałej objętości. W silnikach z zapłonem samoczynnym, zapłon wywołuje ciepło procesu sprężania, spalanie paliwa zachodzi początkowo (w pobliżu GMP) z dużą prędkością a następnie wolniej i część paliwa spala się w czasie procesu rozprężania.

W odwracalnych obiegach termodynamicznych przyjmuje się, że jedna część ciepła doprowadzona jest przy stałej objętości a druga przy stałym ciśnieniu. W związku z tym odwracalny termodynamiczny obieg silnika tłokowego składa się z adiabatycznego procesu sprężania i rozprężania, izohory i izobary doprowadzania ciepła oraz z izohorycznego odprowadzania ciepła.

4. Założenia i wyprowadzenie wzoru na sprawność teoretyczną czterosuwowego tłokowego silnika spalinowego.

Założenia:

• czynnikiem roboczym jest gaz doskonały;

• masa czynnika roboczego jest stała i jednakowa we wszystkich procesach;

• zaniedbuje się zmianę ciepła właściwego czynnika roboczego lub uwzględnia się tę zmianę w zależności od tempeatury i składu mieszaniny gazów;

• doprowadzenie ciepła do czynnika roboczego realizowane jest jakooddawanie ciepła od gorącego źródła;

• procesy wymiany czynnika roboczego zamienia się procesami odwracalnymi z uwzględnieniem wymiany ciepła;

• proces sprężania i rozprężania przyjmuje się jako adiabatyczny;

• proces napełniania odbywa się między GMP a DMP;

• obieg realizowany jest przez 1 kg czynnika roboczego.

Teoretyczna sprawność obiegu charakteryzująca stopień jego doskonałości jest: η_t=(q₁-q₂)/q₁=1-(q₁/q₂);

Ilość doprowadzonego ciepła do obiegu: q­₁=q₁'+q₁''=c_v(T_z'-T­_c)+c_p(T_z-T_z'); q­₂=q₂'+q₂''=c_v(T_b-T_f)+c_p(T_f-T_a);

Po podstawieniu q₁ i q₂ do ogólnego wzoru na η_t otrzymujemy:
; (1)

Wyznaczamy temperatury w charakterystycznych punktach obiegu:

- dla adiabaty a-c:

- dla izobary c-z':

- dla izobary z'-z:

- przemiana adiabatyczna z-b:

- przemiana izobaryczna f-a:

Podstawiając powyższe zależności do (1) otrzymujemy wzór na teoretyczną sprawność uogólnioną termodynamicznego obiegu czterosuwowego tłokowego silnika spalinowego.

5. Średnie ciśnienie teoretyczne czterosuwowego tłokowego silnika spalinowego i metoda jego wyznaczania.

Umowne stałe ciśnienie, które działając na tłok w czasie jednego suwu wykona pracę równą pracy teoretycznego obiegu silnika. Dla uogólnionego obiegu silnika: V_s=V_b-V_c=V₂δ-V_c=V_c(δρ-1)=(V_a/E)(δρ-1); wówczas q₁=q₁'+q₁''=c_v(T_z'-T_c)+c_p(T_z-T_z')=

=c_vT_c[λ_p-1+kλ_p(ρ-1)] =c_vT_aε^k-1[λ_p-1+kλ_p(ρ-1)]; średnie ciśnienie teoretyczne obiegu jest równe:

; Dla obiegu z doprowadzeniem ciepła przy p,V=const (Sabathe) V_b=V_a i δρ=(V₂/V_c)(V_a/V₂)=ε oraz uwzględniając, że: c_v=R/(k-1), T_a/V_a=p_a/R otrzymujemy:

Najbardziej efektywnym sposobem zwiększenia p_t jest zwiększenie ciśnienia p_a, co można osiągnąć przez zwiększenie ilosci ładunku w cylindrze. Realizowane jest to przez doładowanie silnika, co powoduje zwiększenie p_t, q₁, ε, λ_p.

6. Silnikowe obiegi termodynamiczne Otta, Joule'a, Sabathe'a.

Obiegi teoretyczne przewidują sprężanie i rozprężanie czynnika roboczego bez wymiany ciepła z otoczeniem (adiabatycznie) oraz odprowadzenie części tego ciepła, nie zamienionego na pracę mechaniczną, przy stałej objętości czynnika. Obiegi teoretyczne idealizują też przebieg doprowadzania ciepła, jednak w każdym przyjęto inne założenia upraszczające
.

Obieg Joule'a jest stosowany jako obieg porównawczy dla turbin gazowych lub spalinowych. Może być również realizowany w powietrznym silniku tłokowym. Obieg ten składa się z adiabatycznego sprężania (1-2), izobarycznego doprowadzania ciepła (2-3), adiabatycznego rozprężania (3-4) oraz izobarycznego oziębiania (4-1). Sprawność teretyczną obiegu Joule'a w zależności od stopnia sprężania przedstawia zależność η_t=1-(1/ε^k-1).

Obieg Otto - obieg z doprowadzeniem ciepła przy stałej objętości. Składa się z czterech przemian: adiabatycznego sprężania (1-2), izochorycznego doprowadzenia ciepła (2-3), adiabatycznego rozprężania (3-5) oraz izochorycznego odprowadzenia ciepła (5-1). Sprawność obiegu Otta zależy od stopnia sprężania i wykładnika adiabaty. Przy wzroście stopnia sprężania ε i wykładnika adiabaty k wzrasta również sprawność teoretyczna obiegu. Sprawność nie zależy od ilości ciepła doprowadzonego do obiegu ani od pracy obiegu. η_t=1-(1/ε^k-1).

Obieg Sabathe'a - jest to obieg z doprowadzeniem ciepła częściowo przy stałej objętości i częściowo przy stałym ciśnieniu. Zwany też obniegiem mieszanym, jest podstawowym i najbardziej ogólnym obiegiem teoretycznym tłokowych silników spalinowych. Pozostałe obiegi (Otto, Diesla) są tylko jego przypadkami granicznymi. Obieg mieszany składa się z następujących przemian: adiabatycznego sprężania (1-2), izochorycznego doprowadzenia ciepła (2-3), izobarycznego doprowadzenia ciepła (3-4), adiabatycznego rozprężania (4-5) oraz izochorycznego odprowadzania ciepła (5-1). Sprawność teoretyczna obiegu Sabathe:

7. Czynnik roboczy tłokowego silnika spalinowego, jego ilość stechiometryczna oraz własności.

Czynnikiem roboczym nazywamy ośrodek, za pomocą którego realizowany jest rzeczywisty obieg silnika. W tłokowych silnikach spalinowych stanowi go utleniacz, paliwo i produkty spalania. W czasie obiegu pracy silnika czynnik roboczy zmienia swe własności w zależności od temperatury i składu. Skład 1kg paliwa ciekłego: C+H+O=1. Stechiometryczna ilość powietrza do spalania 1kg paliwa wyrażona w kmol:
lub
gdzie

β - wielkość proporcjonalna do stosunku ilości tlenu potrzebnego do spalenia wodoru do ilości tlenu potrzebnego na spalenie węgla. Dla paliw pochodzenia naftowego β=0,33-0,42.

Dla każdego paliwa postaci C_nH_mO_r reakcję całkowitego i zupełnego spalania paliwa można zapisać w postaci:

Ilość powietrza w kilomolach lub m³ teoretycznie potrzebnego do spalania 1 kmola lub 1 m³ mieszaniny gazowej o składzie ΣC_nH_mO_r+N₂=1:

Współczynnik nadmiaru powietrza λ jest to stosunek rzeczywistej ilości powietrza L do ilości stechiometrycznej: λ=L/L₀. Całkowite spalanie możliwe jest tylko przy λ>=1. Silniki gaźnikowe pracują przy λ=0,8-1,1.

8. Sposób wyznaczania ilości spalin powstałych przy zupełnym i całkowitym spalaniu jednostki paliwa ciekłego.

Spalanie zupełne - spalanie, w czasie którego wszystkie cząstki palne paliwa przechodzą w końcowe produkty spalania.

Spalanie doskonałe - spalanie, kiedy w produktach spalania nie ma tlenu.

W silnikach o wewnętrznym sposobie tworzenia mieszanki palnej i z zapłonem samoczynnym ilość mieszanki palnej przed rozpoczęciem spalania jest równa: M₁=λL_O. Zaniedbuje się objętość wtryśniętego paliwa w porównaniu z objętością powietrza. Przy λ>1 produkty spalania składają się z CO₂, pary wodnej H₂O, nadmiaru tlenu O₂, azotu N₂. Dla 1kg paliwa ciekłego o znanym elementarnym składzie, ilość poszczególnych składników spalin: M_CO2=C/12; M_H2O=H/2;
;
. Całkowita ilość spalin jest sumą:

M₂=M_CO2+M_H2O+M_O2+M_N2. (λ-1)L_O - nadmiar powietrza w produktach spalania.

9. Ilość i skład spalin powstających ze spalania jednostki paliwa ciekłego przy λ<1.

Przy λ<1 zachodzi niezupełne spalanie paliw ciekłych, w wyniku którego część składników paliwa zamienia się w produkty niezupełnego spalania. Przyczyną takiego zjawiska może być niedobór tlenu w mieszance palnej, lokalny brak tlenu w strefie spalania wynikający z wadliwego mechanizmu tworzenia mieszanki palnej, zbyt krótki czas spalania mieszanek ubogich. Składnikami spalin są wówczas CO₂, CO, H₂O, H₂, N₂ i jego tlenki, 0,2-0,3% metanu CH₄ oraz śladowe ilości węglowodorów i tlenu. Przy obliczeniach składu spalin niezupełnego spalania zaniedbuje się zawartość tlenu, metanu i innych węglowodorów i przyjmuje się, że składnikami spalin są CO₂, CO, H₂O, H₂, N₂. Skład spalin niezupełnego spalania 1kg paliwa ciekłego przy λ<1 oblicza się ze wzorów:

;
;
;
;

Całkowita ilość produktów spalania:

10. Współczynnik nadmiaru powietrza λ, współczynnik zmian molowych μ oraz sposoby ich wyznaczania.

Współczynnik nadmiaru powietrza λ jest to stosunek rzeczywistej ilości powietrza L do ilości stechiometrycznej: λ=L/L₀.

Ilość powietrza potrzebną do spalenia dawki paliwa L_O określa się na podstawie znajomości składu chemicznego paliwa.

Całkowite spalanie możliwe jest tylko przy λ>=1. Silniki gaźnikowe pracują przy λ=0,8-1,1.

λ<1 - mieszanka bogata - nadmiar paliwa, niedobór tlenu;

λ=1 - mieszanka stechiometryczna (teoretyczna);

λ>1 - mieszanka uboga, zawiera nadmiar powietrza, niedobór paliwa;

Współczynnik zmian molowych μ - charakteryzuje względną zmianę objętości przy spalaniu mieszanki palnej: μ₀=M₂/M₁=1+(ΔM/M₁)

Dla silników o zewnętrznym sposobie tworzenia mieszanki palnej:
; Dla silników ZS:

rysunki

11. Różnice między spalaniem paliwa ciekłego i gazowego oraz sposób wyznaczania współczynnika nadmiaru powietrza λ na podstawie analizy spalin.

1. W przypadku paliw gazowych można zarówno zmniejszyć jak i zwiększyć objętość produktów spalania w porównaniu z objętością mieszanki przed spalaniem.

2. Zmiana objętości zależy od właściwości węglowodorów tworzących paliwo, ich ilości i stosunku węglowodorów, wodoru i tlenku węgla.

Analizę składu spalin ze względu na współczynnik λ przeprowadza się z powodu zmienności warunków pracy silnika co powoduje, że λ również jest zmienne. Zawartość tlenku węgla i pary wodnej zmniejsza się przy wzroście współczynnika λ. Na podstawie analizy spalin można wnioskować o całkowitości i zupełności procesów spalania oraz określić λ i pozostałe parametry. W zależności od udziału objętościowego CO₂ w spalinach suchych ((r_CO2)_such), wartość współczynnika λ można określić za pomocą wzoru:
. Przy spalaniu całkowitym, mając dane z analizy spalin oraz znajac elementarny skład paliwa, wartość λ można obliczyć ze wzoru:
;

W powyższych wzorach (r_CO2)_such=M_CO2/M_2such i (r_N2)_such= M_N2/M_2such oznaczają udziały objętościowe CO₂ i N₂ w suchych spalinach. β=0,33-0,42 - wielkość proporcjonalna do stosunku ilości tlenu potrzebnego do spalenia wodoru do ilości tlenu potrzebnego na spalenie węgla.

13. Termodynamiczny obieg tłokowego silnika spalinowego doładowanego wg systemu pulsacyjnego.

W systemach doładowania z turbiną impulsową, wymiary przewodów dolotowych zapewniają występowanie maksymalnej wartości ciśnienia na wlocie do turbiny, aby uzyskać jak największą prędkość gazu, zminimalizować straty energii i wykorzystać w jak największym stopniu energię spalin do wykonania pracy. Zaniedbuje się tu straty ciepła przy przepływie gazu z cylindra do turbiny, zaś proces rozprężania w turbinie b-g przyjmuje się jako przedłużenie adiabatycznego rozprężania w cylindrze z-b. Obieg składa się z adiabatycznego sprężania w sprężarce a-a' i w cylindrze a-c, doprowadzenia ciepła izohorycznie c-z' i izobarycznie z'-z, adiabatycznego rozprężania w cylindrze z-b i w turbinie b-g oraz z izobarycznego odprowadzenia ciepła g-a'. Obieg ten można przedstawić jako obieg złożony z obiegu silnika tłokowego acz'zba i z obiegu silnika turbinowego z komorą spalania o stałej objętości a'abga'. rysunek.

15. Metodyka obliczania procesu spalania w silniku ZI.

rysunek

praca izochory na odcinku cz:
. Na tym odcinku całe ciepło jest zużywane na zmianę energii wewnętrznej czynnika roboczego. W związku z tym Qcz=Uz-Uc. Dla silnika ZI przy λ>1 i całkowitym i zupełnym spalaniu, przyjmując współczynnik wydzielania ciepła κ=1, zależność na obliczanie procesu spalania z uwzględnieniem świeżego ładunku i resztek spalin ma postać:

gdzie r₀=M₀/M₂ - udział objętościowy spalin przy λ=1 w całkowitej ilości spalin przy λ>1; r_λ=[(λ-1)M₀]/M₂ - udział objętościowy nadmiaru powietrza w spalinach przy λ>1; M₂ - ilość kmoli spalin ze spalenia w sposób stechiometryczny 1 kg paliwa; M₀ - ilość kmoli powietrza koniecznego do spalenia 1 kg paliwa.

Przy λ<1 należy uwzględnić niezupełność spalania. Ponieważ proces spalania zachodzi izochorycznie to Vz=Vc i ρ=Vz/Vc=1 (wstępny stopień rozprężenia) λ_p=μTz/Tc (ogólny wzór λ_pρ=μTz/Tc) i p_z=λ_pp_c. Przyjęty izochoryczny sposób doprowadzenia ciepła nie wywołuje znacznego wpływu na sprawność i pracę obiegu, jednak otrzymuje się wyższe ciśnienie max obiegu. Z tego powodu wprowadza się współczynnik korygujący ϕ_p=0,8-0,9 i wówczas max ciśnienie p_zmax=ϕ_pp_z.

16. Metodyka obliczania procesu spalania w silniku ZS.

17. Zewnętrzny bilans cieplny tłokowego, czterosuwowego silnika spalinowego.

Z.b.c.s.s. nazywamy rozdział ciepła wydzielonego w czasie spalania paliwa w silniku. Umożliwia on ocenę stopnia wykorzystania ciepła, straty ciepła i mozliwość ich zmniejszenia, efektywność wykorzystania spalin oraz dokonać obliczeń układu chłodzenia. Bilans sporządza się eksperymentalnie dla pracy silnika wg zewnętrznej prędkościowej, obciążeniowej lub śrubowej charakterystyki, przy różnych regulacjach silnika itp. Sporządza się go dla 1 godziny pracy silnika lub czasu zużycia 1kg lub 1m³ paliwa. Równanie bilansu: Q=Qe+Q_ch+Q_spl+Q_ol+Q_reszt, gdzie:

- Q - ciepło spalania paliwa; obliczamy znając wartość opałową paliwa Hu(J/m³, J/kg) oraz jego zużycie godzinowe Ge (kg/h, m³/h):

Q=κHuGe [J/h]

- Qe - ciepło równoważne pracy efektywnej silnika w czasie 1 sek jest równe mocy efektywnej silnika Qe=Ne; dla godzinowego zużycia paliwa Qe=3600Ne;

- Q_ch - ciepło odprowadzone do układu chłodzenia Q_ch=m'_ch(T₂-T₁)C_c.chłodz., gdzie m'_ch - wydatek cieczy chłodzącej [kg/h], T₂, T₁ - temperatura czynnika chłodzącego odpowiednio na wyjściu i wejściu układu chłodzenia, C_c.chłodz. - ciepło właściwe cieczy chłodzącej;

- Q_spl - ciepło odprowadzone ze spalinami Q_spl=H_spl+Q_n.spl gdzie H_spl - entalpia spalin wylotowych równoważna ciepłu unoszonemu ze spalinami, oblicza się jako różnicę entalpii spalin wylotowych i entalpii powietrza doprowadzonego do silnika: H_spl=Ge(M₂c'_pt₂-M₁c_pt₁) [M₂ - ilość produktów spalania w wyniku całkowitego i zupełnego spalenia 1 kg paliwa, M₁ - ilość kmoli świeżego ładunku z 1 kg paliwa ciekłego przy określonej wartości λ, t₂ - temp spalin za turbosprężarką lub w króćcu wylotowym (wolnossący), t₁ - temp świeżego ładunku na napływie do turbo lub w króćcu dolotowym (wolnossący), c'_p, c_p - ciepło molowe spalin i świeżego ładunku];

- Q_ol - ciepło odprowadzone do oleju Q_ol=G_ol(t_ol.we.-t_ol.wy.)c_ol;

- Q_reszt - ciepło odprowadzone przez promieniowanie cieplne, konwekcyjnie wymienione ciepło z otoczeniem przez nagrzane elementy silnika; wartość ta zawiera: ciepło odpowiadające pracy tarcia z wujątkiem ciepła odprowadzanego do chłodnicy lub uniesionego z olejem, ciepło oddane przez promieniowanie z zewn części silnika, nie uwzględnione straty ciepła. Stopień wykorzystania ciepła można zwiększyć przez utylizację strat ciepła.

---