1. Uwagi ogólne dotyczące wskaźników pracy silnika .

2. Podstawowe wskaźniki pracy silnika (sens, definicja, związek z pracą silnika) :

- prędkość obrotowa - n

- średnie ciśnienie indykowane - p_i

- średnie ciśnienie efektywne (użyteczne) - p_e

- moment obrotowy silnika - M₀

- moc silnika - N

- sprawność -

- godzinowe (sekundowe) zużycie paliwa - G_e

- jednostkowe zużycie paliwa - g_e

ZAGADNIENIA:

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

UWAGI OGÓLNE DOTYCZĄCE WSKAŹNIKÓW PRACY SILNIKA.

Do ogólnej oceny pracy pojedynczego silnika a także do porównawczej oceny silników różnych typów stosuje się tzw. wskaźniki pracy silnika. Są to wielkości liczbowe informujące o stopniu wykorzystania objętości skokowej, stanie obciążenia oraz ogólnie o jakości zamiany energii zawartej w paliwie na energię mechaniczną. Do głównych wskaźników pracy zalicza się :

- prędkość obrotowa - n

- średnie ciśnienie indykowane - p_i

- średnie ciśnienie efektywne (użyteczne) - p_e

- moment obrotowy silnika - M₀

- moc silnika - N

- sprawność -

- godzinowe (sekundowe) zużycie paliwa - G_e

- jednostkowe zużycie paliwa - g_e

PODSTAWOWE WSKAŹNIKI ZWIĄZANE Z PRACĄ SILNIKA.

- prędkość obrotowa - n

Prędkość obrotowa jest wyrażona liczbą obrotów wału korbowego w jednostce czasu (zwykle w [obr./min] lub [obr./sek.]). Stanowi ona wielkość podstawową, która wraz z mocą użyteczną silnika umożliwia obliczenie wymiarów głównych silnika tzn. średnicy cylindra, skoku tłoka oraz średniej prędkości tłoka .

Prędkość obrotowa jest również wskaźnikiem charakteryzującym średnią prędkość kątową wału korbowego - :

oraz średnią prędkość ruchu postępowego elementów związanych z wałem korbowym tzn. przede wszystkim tłoka - c_śr. :

c_śr. = 2 x S x n [m / s ]

gdzie :

S - skok tłoka

Ze względu na rozwijaną prędkość obrotową silniki można podzielić np. na :

- wolnoobrotowe n < 300 [obr. / min.]

- średnioobrotowe 300 < n < 1000 [obr. / min.]

- szybkoobrotowe n > 1000 [obr. / min.]

W związku z tym, że wzrost prędkości obrotowej silnika wiąże się ze wzrostem jego mocy (przy niezmienionej pojemności skokowej silnika), dążąc do minimalizacji rozmiarów silników dąży się również do zwiększania n. Jednak wzrost ten powoduje również niekorzystne zjawiska zachodzące w silniku min. :

• skrócenie czasu przypadającego na kolejne przemiany (pogorszenie warunków wymiany ładunku, skrócenie czasu związanego z przygotowaniem mieszanki paliwowo - powietrznej oraz samym spalaniem)

• wzrost mechanicznego obciążenia silnika (większe siły bezwładności)

• większa częstotliwość suwów pracy, co prowadzi do większego obciążenia cieplnego silnika a zwłaszcza tych jego części, które mają bezpośredni kontakt ze spalinami, a z których odprowadzenie dużych ilości ciepła w krótkim czasie jest utrudnione np. tłoków, zaworów wylotowych

• większe trudności związane z wyrównoważeniem poszczególnych części (wymagana jest bardzo duża dokładność wykonania poszczególnych części będących w ruchu.

Biorąc pod uwagę silniki znajdujące się w normalnej eksploatacji i pewne przedziały rozwijanych przez nie prędkości obrotowych można na osi tych prędkości wyróżnić następujące punkty charakterystyczne (rys. 1) :

Rys. 1 Oś prędkości obrotowych rozwijanych przez silnik.

• prędkość obrotowa minimalna - n_min - najmniejsza prędkość obrotowa zapewniająca ustabilizowane warunki spalania, a więc stateczną (stabilną) pracę;

• prędkość obrotowa znamionowa - n_zn - prędkość obrotowa przy której silnik będąc obciążony nominalnie (rozwija znamionowy moment obrotowy) rozwija moc znamionową;

• prędkość obrotowa maksymalna - n_max - największa prędkość obrotowa jaką może rozwinąć normalnie funkcjonujący silnik (sprawny technicznie) w warunkach eksploatacyjnych, bez ingerencji eksploatatora w parametry regulacyjne ustalone przez producenta.

• średnie ciśnienie indykowane - p_i

Średnie ciśnienie indykowane jest wskaźnikiem charakteryzującym rzeczywisty obieg w przestrzeniach roboczych cylindrów silnika. Z definicji, jest to takie stałe ciśnienie zastępcze, które działając na tłok podczas jednego suwu rozprężania wytworzy taką samą pracę, jak zmienne ciśnienie rzeczywiście działające w cylindrze w czasie całego obiegu.

W związku z tym, iż pracę, która wywiązała się w przestrzeni roboczej w czasie 1 obiegu - nazywa się pracą indykowaną - L_i, oraz na podstawie analizy wykresu obiegu rzeczywistego przedstawionego w układzie współrzędnych p - V wiadomo, że pracę te przedstawia pole wewnątrz pętli obiegu (w silniku czterosuwowym wolnossącym pomniejszone o pole pętli wymiany ładunku), geometrycznie średnie ciśnienie indykowane można zinterpretować jako długość boku prostokąta, którego pole równe jest polu pętli obiegu (pracy indykowanej) zaś drugi bok reprezentuje wielkość objętości skokowej (rys. 2).

Rys. 2 Geometryczna interpretacja p_i

Tym samym odnosząc wartość pracy indykowanej - L_i wywiązanej w cylindrze do objętości skokowej cylindra V_s :

L_i = p_i x V_s

otrzymuje się p_i jako miarę pracy uzyskanej z jednostki objętości cylindra.

Średnie ciśnienie indykowane wyznacza się na podstawie wykresu indykatorowego silnika, poprzez jego planimetrowanie i obliczenie :

gdzie :

p_i - średnie ciśnienie indykowane [MPa]

F_w - powierzchnia wykresu indykatorowego [mm²]

l - długość podstawy wykresu indykatorowego [mm]

μ - podziałka wykresu indykatorowego [mm / MPa]

Średnie wartości p_i silników okrętowych przedstawiają się następująco :

0,65 ÷ 0,9 - silniki czterosuwowe wolnossące

1,50 ÷ 3,0 - silniki czterosuwowe doładowane

0,80 ÷ 1,5 - silniki dwusuwowe

• Średnie ciśnienie efektywne (użyteczne) - p_e

Praca, która została wykonana przez czynnik roboczy w czasie jednego obiegu (praca indykowana - L_i) w tłokowym silniku spalinowym, zużytkowana jest na :

• pokonanie oporów mechanicznych silnika, do których zalicza się :

1. straty tarcia - przede wszystkim tarcie tłoka i pierścieni o gładź cylindrową (ok. 65 % wszystkich strat mechanicznych) oraz tarcie w łożyskach głównych i korbowych (ok. 25 % strat);

2. straty związane z napędem mechanizmów pomocniczych napędzanych od wału korbowego silnika - napęd rozrządu, pomp, prądnic itd.

• wykonanie postawionego przed silnikiem zadania np. napęd śruby (praca efektywna - L_e)

W związku z tym można stwierdzić, iż :

L_i = L_e + L_m

gdzie :

L_i - praca indykowana

L_e - praca efektywna (użyteczna)

L_m - praca związana z pokonaniem oporów mechanicznych silnika

Wskaźnikiem charakteryzującym rzeczywistą zdolność do wykonania pracy użytecznej przez silnik jest średnie ciśnienie efektywne (użyteczne) - p_e, które jest takim stałym ciśnieniem zastępczym, iż w wyniku jego działania na tłok podczas jednego suwu rozprężania wytworzy się praca, równa pracy użytecznej (efektywnej) silnika.

Geometryczna interpretacja p_e przedstawia się następująco (rys. 3) :

Rys. 3 Geometryczna interpretacja p_e.

Na podstawie rys. 3 można określić również p_e jako :

p_e = p_i - p_m

gdzie :

p_m - średnie ciśnienie strat mechanicznych (pojęcie wprowadzone przez analogię do p_i i p_e, stanowiące stratę średniego ciśnienia indykowanego odpowiadającą stratom mechanicznym silnika odniesionym do powierzchni denka tłoka).

Średnie wartości p_e silników okrętowych przedstawiają się następująco :

0,55 ÷ 0,85 - silniki czterosuwowe wolnossące

1,20 ÷ 2,7 - silniki czterosuwowe doładowane

0,65 ÷ 1,3 - silniki dwusuwowe

• moment obrotowy silnika - M_o

Moment obrotowy w tłokowym silniku spalinowym generowany jest na wale korbowym silnika w wyniku działania sił gazowych w przestrzeni roboczej na tłok (rys. 4) :

p - ciśnienie w przestrzeni roboczej

P_g - siła gazowa

P_{g =}

N - siła normalna

S - siła korbowodowa

K - siła promieniowa

T - siła styczna

r - promień wykorbienia

Rys. 4 Generowanie momentu obrotowego na wale korbowym silnika.

Ze względu na to, że ciśnienie gazów w cylindrze w czasie całego obiegu jest zmienne również chwilowy moment obrotowy silnika :

M = T x r [Nm],

którego wartość zależy tylko od zmian siły T (r - const.) również jest zmienny.

Można jednak określić średnie ciśnienie działające w przestrzeni roboczej w czasie poszczególnych suwów, a tym samym średnią wartość sił P_g, N, S, T, K w czasie tych suwów. Dodatkowo interpretując pole w układzie współrzędnych M_o - α (α - kąt obrotu wału korbowego) jako pracę (dostarczoną do czynnika lub wykonaną przez czynnik) oraz przyjmując dodatni znak siły T odpowiadający jej zwrotowi zgodnemu z kierunkiem obrotu wału korbowego, można w sposób uproszczony przebieg zmian momentu obrotowego dla jednocylindrowego silnika czterosuwowego






przedstawić następująco (rys. 5) :

Rys. 5 Uproszczony przebieg zmian chwilowego momentu obrotowego jednocylindrowego silnika czterosuwowego.

Na podstawie wyżej przedstawionego rysunku można wyznaczyć średnią wartość momentu chwilowego, którego działanie na wał korbowy silnika w czasie całego obiegu jest równoznaczne z działaniem rzeczywistego, zmiennego momentu chwilowego. Tę wartość średnią nazywa się momentem obrotowym silnika - M_o.

W silnikach wielocylindrowych moment obrotowy silnika jest sumą średnich momentów generowanych na wykorbieniach poszczególnych cylindrów, w których poszczególne fazy obiegu roboczego są przesunięte względem siebie o :

• 720 : i - silniki czterosuwowe

• 360 : i - silniki dwusuwowe

przy czym :

i - liczba cylindrów.

Moment obrotowy jest wskaźnikiem, który można mierzyć na końcówce odbioru mocy silnika za pomocą hamulców lub dynamometrów.

• moc silnika - N

Pracę indykowaną wykonaną przez czynnik roboczy można na podstawie ogólnej definicji pracy (siła działająca na określonej drodze) przedstawić następująco :

L_i = V_s ⋅ p_i = F_t ⋅ S ⋅ p_i [J]

gdzie :

V_s - objętość skokowa cylindra

F_t - powierzchnia denka tłoka

S - skok tłoka

p_i - średnie ciśnienie indykowane.

Jeżeli pracę tę odniesiemy do czasu, w którym została ona wykonana (czas jednego obiegu) to uzyskamy zależność opisującą nam wielkość mocy, która wywiązała się w cylindrze silnika. Moc tę nazywa się mocą indykowaną - N_i.

Czas jednego obiegu - t_1ob to czas :

• jednego obrotu wału korbowego dla silników dwusuwowych

• dwóch obrotów wału korbowego dla silników czterosuwowych

w związku z czym można go określić jako :

t_1ob =
⋅ τ [s, min.]

gdzie :

n - prędkość obrotowa silnika

- czas jednego obrotu wału korbowego

τ - współczynnik mówiący ile obrotów składa się na obieg roboczy :

1 - dla silników dwusuwowych

2 - dla silników czterosuwowych

ostatecznie uwzględniając ww. zależności oraz ilość cylindrów silnika - i można napisać, iż :

N_i =
[W].

w związku z tym, iż dla danego silnika wielkości : V_s, i, τ są stałe ww. zależność można przestawić w formie uproszczonej :

N_i = c ⋅ p_i ⋅ n

gdzie :

c = V_s ⋅ 1/τ ⋅i.

Wielkość mocy indykowanej - N_i silnika określa jaką moc rozwija silnik w przestrzeniach roboczych cylindrów. Z punktu widzenia użytkownika realizującego za pomocą silnika określone zadanie nie jest to wartość bezpośrednio go interesująca, gdyż część tej mocy zostanie „stracona” na pokonanie oporów własnych (mechanicznych) silnika (opisanych wcześniej w punkcie dotyczącym średniego ciśnienia efektywnego - p_e).

- 2 -

L_i

L_i

L_m

L_e

M_śr

Praca dostarczona na sprężenie czynnika

Praca wykonana przez czynnik w czasie rozprężania

Praca dostarczona na napełnienie cylindra

Praca dostarczona na usunięcie spalin

M

---