4 -suwowe

1 suw - ssanie /napełnienie/

2 suw - sprężanie /ciśnienie 6-8 MPa; Temperatura 600-800 ˚C/. Kilka stopni przed GMP wtryskiwane jest paliwo /kat wyprzedzenia wtrysku/ /wolnoobrotowe mały kąt; średnioobrotowe większy kąt/

3 suw - praca /rozprężanie/

4 suw - wydechu

Maksymalne ciśnienie spalania dla silników wolnoobrotowych - do 15 MPa

Maksymalne ciśnienie spalania dla silników średnioobrotowych - powyżej 20 MPa

Temperatura spalania - 2500 ˚C

Stopień pokrycia zaworów - ilość stopni obrotów wału, kiedy oba zawory są otwarte.

Wykresy teoretyczne silników tłokowych.

Wykres teoretyczny powstał po przyjęciu następujących założeń teoretycznych:

• Cały obieg odbywa się przy stałej ilości czynnika wypełniającego cylinder

• Sprężanie i rozprężanie odbywa się izentropowo /bez wymiany ciepła między czynnikiem a ścianami/

• Ciepło dostarczone jest nie przez spalanie paliwa, ale przez izochoryczne (Otto), izobaryczne (Diesel) lub oba (Sabath'a).

• Ciepło właściwe czynnika jest stałe

• Przemiany przebiegają nieskaczenie wolno /brak strat przepływu/

Jeżeli przyjąć następujące oznaczenia

ε - geometryczny stopień sprężania

φ - stopień izochorycznego przyrostu ciśnienia

ς - stopień izobarycznego przyrostu objętości

oraz pamiętając że sprawność (eta) można wyrazić zależnością
oraz

Q₁ = mC_v (T₃-T₂) + mC_p (T₄-T₃)

Q₂ = mC_v (T₅-T₁)

można otrzymać

Sprawność teoretyczna obiegu Sabath'a wzrasta ze stopniem sprężania ε i ze wzrostem izochorycznego ciśnienia φ a maleje wraz ze wzrostem stopnia izobarycznego przyrostu objętości.

Średnie ciśnienie teoretyczne

Średnie ciśnienie teoretyczne jest to takie stałe ciśnienie zastępcze które daje zmianę objętości, daje pracę obiegu teoretycznego.

Obiegi rzeczywiste /indykowane/ silników tłokowych.

Wykresy rzeczywiste można w praktyce uzyskać poprzez indykowanie silnika w klasycznym podejściu wykorzystując indykatory mechaniczne sprężynowe obecnie coraz częściej indykatory elektroniczne. Korzystając z indykatorów mechanicznych można uzyskać następujące rodzaje wykresów:

• Wykres normalny /zamkniety/ p-v

• Wykres rozwinięty p-α /kąt obrotu wału korbowego OWK/

• Słupkowe

- p_max

- p_sprężania

• Wykres słabej sprężyny

h_w -wysokość szczelin dolotowych

1' - otwarcie szczelin dolotowych

1 - zamknięcie szczelin dolotowych

5 - otwarcie zaworu wylotowego

5' - zamknięcie zaworu wylotowego

5-1' - wylot swobodny spalin

1-1' - wylot wymuszony i dolot świeżego powietrza

1-5' - strata świeżego ładunku

Wykres indykotorowy jest zbliżony do silnika 4-suw. Z tym że pętla dolotu i wylotu zastępuje przepłukanie.

1'-początek dolotu /otwarty zawór dolotowy/

1 - koniec dolotu /zamknięcie zaworu dolotowego/

2' -wtrysk paliwa

2 - początek spalania

3 - maks. wartość ciśnienia w cylindrze

4 - koniec spalania /maks. temp. w cylindrze/

5 - początek wylotu /otwarcie zaworu wylotu/

5' - koniec wylotu /zamknięcie zaworu wylotu/

Ciśnienie w cylindrze w czasie dolotu wynosi 0,09-0,095 Mpa. Temperatura zasysanego powietrza w tym czasie niznacznie rośnie na skutek ogrzewania od ścianek cylindra i mieszanie się z resztą spalin. W końcu dolotu jest wyższa od temperatury otoczenia i wynosi T₁= 320K.

Suw sprężania realizuje się podczas suwu tłoka DMP-GMP przy zamkniętych zaworach. Podczas tego suwu temperatura i ciśnienie rośnie. W końcu sprężania wartości są następujące: p=5Mpa i T₂= 1000K. Zanim tłok osiągnie GMP /20˚ OWK/ następuje wtrysk paliwa do cylindra pod wysokim ciśnieniem.

Gdy tłok jest w GMP następuje samozapłon mieszanki paliwowo-powietrznej i rozpoczęcie spalania. Ba skutek tego ciśnienia rośnie skokowo i osiąga wartość max. nieco za GMP P_max=P₃=10Mpa. T_max=T₄=2000K. Po osiągnięciu P_max za GMP rozpoczyna się suw rozprężania - tłok wykonuje pracę. Ciśnienie i temperatura spadają. Bezpośrednio przed DMP następuje otwarcie zaworu wylotowego i co za tym idzie ciśnienie gwałtownie spada. od p₅=0,2-0,6 Mpa do p₁=0.1-0,11 Mpa T₅=1000K. Przy ruchu tłoka od DMP do DMP przy otwartym zaworze wylotowym spaliny są wytłaczane z cylindra.

Średnie ciśnienie indykowane

F - pole powierzchni

f - stała sprężyny

Średnie ciśnienie indykowane

Moc indykowana /moc wewnętrzna/

O tej mocy decyduje:

• Jak przebiega proces

• Ilość paliwa

• itd.

p [Pa]

D [m]

S [m]

n [Obr/min]

z [-]

Moc efektywna

N_e = N_i - N_m

N_m - moc mechaniczna

Sprawność mechaniczna

Wskaźniki energetyczne:

• jednostkowe zużycie paliwa

• moment obrotowy

• sprawność

• prędkość obrotowa

używa się również takich pojęć jak:

• moc znamionowa Nn odpowiada ona mocy uzyskiwanej przez silnik zgodnie z założeniami projektowymi odpowiadającymi prędkości i momentowi znamionowymi

• moc maksymalna N_max moc użyteczna jaką może silnik rozwijać w warunkach stałego obciążenia ale w ograniczonym czasie /czas do 1h/

• moc trwała /eksploatacyjna/ N_T największa moc użyteczna jaką silnik rozwija w warunkach stałego obciążenia bez ograniczeń czasowych do 90% mocy nominalnej.

• Moc rozruchowa Nr moc potrzebna do nadania silnikowi rozruchowej prędkości obrotowej takiej po uzyskaniu której dochodzi do zainicjowania spalania w cylindrach.

W pojęciu prędkości obrotowej można też wyróżnić takie prędkości jak:

• znamionowa /nominalna/ n_n prędkość obrotowa silnika obciążonego znamionowym momentem obrotowym i uzyskującego moc znamionową

• prędkość rozruchowa /1/3 - 1/5 prędkości znamionowej n_n)

• prędkość minimalna n_min to najmniejsza prędkość prędkość jaką silnik może pracować

• maksymalna prędkość obrotowa n_max to największa prędkość jaką dla danego silnika dopuszcza producent 110%

Moment obrotowy

To stosunek mocy do prędkości katowej

C - stała

Sprawność indykowana /cieplna/

Jest to wielkość, która określa wykorzystanie energi cieplnej podczas rzeczywistego przebiegu procesu roboczego.

Ge - godzinowe zużycie paliwa [kg/h]

W - wartość opałowa [kJ/kg]

Straty w silniku składają się z:

• strat chłodzenia tuleii cylindrowej i głowic

• strat chłodzenia tłoków

• strat chłodzenia wtryskiwaczy

• strat chłodzenia turbosprężarek

• strat chłodzenia oleju smarowego silnika

• strat chłodzenia oleju smarowego turbosprężarek

• strat chłodzenia powietrza ładującego

• strat wylotowych / w spalinach/

• straty energii cieplnej wchodzącej do otoczenia przez promieniowanie i konwekcję oraz błąd bilansu cieplnego.

Sprawność ogólna /efektywna/

Jednostkowe zużycie paliwa

Doładowanie silników okrętowych

Celem doładowania jest dostarczenie do silnika możliwie jak najwięcej ilości powietrza po to by można była skutecznie spalić większe ilości wtryskiwanego paliwa.

Obecnie cel ten uzyskuje się poprzez sprężanie powietrza i jego chłodzenie przed doprowadzeniem do silnika za, co odpowiada turbosprężarka układu ładującego. W układzie tym wykorzystuje się do sprężania powietrza sprężarki wirowe jednostopniowe o poosiowym zasysaniu i promieniowym wytłaczaniu, dla których napęd stanowi turbina gazowa.

Integralną częścią układu ładującego jest chodzenie powietrza chłodzi się po to by w danej objętości można było zmieścić więcej powietrza do spalenia.

Zalety układu doładowującego:

• rośnie pole wykresu indykatorowego

• rośnie ciśnienie indykowane p_i

• rośnie moc indykowana N_i

• rośnie sprawność mechaniczna /wzrasta znacząco moc indykowana/

P_e - siła sprężystości

P_G - siła działania gazu

• rośnie moc efektywna N_e

• rośnie sprawność indykowana η_i

• rośnie sprawność efektywna η_e η_e=η_m*η_i

Względne straty cieplne w silniku doładowanym są mniejsze. I istnieje możliwość odzysku spalin.

• maleje jednostkowe zużycie paliwa g_e

• wyższa żywotność

Podział układów doładowujących punktu widzenia sposobu zasilania turbin:

• pulsacyjne /możliwe 2 turbosprężarki, sprawność 60 %/

• stałociśnieniowe /spaliny wlatują do wspólnego kolektora, sprawność 70%/

P_WT -ciśnienie spalin przed turbiną

Silniki wolnoobrotowe SA doładowane tylko stałociśnieniowo. W silnikach średnio i szybko obrotowych doładowanie jest pulsacyjne.

Coraz częściej w silnikach średniobrotowych oprócz układów pulsacyjnych stosuje się układu stałocisnieniowe ale także systemy:

• pojedynczego ciągu spalin /SPES/

Współpraca silnika z turbosprężarką.

N_T = N_s

Musi być spełniony warunek równowagi mas

m_s = m_c

βm_c = m_T

m ≈m_T

m_T -masa spalin wchodzących do turbiny

m_c - masa powietrza w cylindrze

8

---