Teoria procesu roboczego - temat nr 1 (8)

a/ obiegi porównawcze (teoretyczne):

• rodzaje obiegów porównawczych,

• wskaźniki pracy obiegu porównawczego.

b/ obiegi rzeczywiste:

• wykres indykatorowy, analiza wykresów indykatorowych,

• ładowanie, przebieg, parametry, ustawienie rozrządu, wpływ prędkości i obciążenia,

• sprężanie (przebieg, parametry);

• tworzenie mieszaniny palnej (rozpylenie paliwa, parowanie i mieszanie z powietrzem);

• spalanie ( opóźnienie samozapłonu, fazy spalania, szybkość spalania, max cisnienie spalania);

• rozprężanie (przebieg, parametry);

• wydech (przebieg, fazy wydechu, parametry).

Podział silników spalinowych.

Silnik spalinowy należy do grupy silników cieplnych, jest urządzeniem przetwarzającym energię cieplną w energię mechaniczną.

W procesie tym fazą wstępną jest zamiana energii chemicznej paliwa w energię cieplną. Silniki cieplne zasilane bezpośrednio paliwem nazywają się silnikami wewnętrznego spalania.

Istota działania takiego silnika polega na tym, że doprowadzone do silnika paliwo ulega w nim spaleniu, a uzyskaną tym sposobem energię cieplną zamienia się w nim częściowo w energię mechaniczną.

Do grupy silników spalinowych wewnętrznego spalania należą silniki tłokowe dalej zwane silnikami okrętowymi o samoczynnym zapłonie.

Zgodnie z podstawowym prawem zamiany energii cieplnej w mechaniczną - nawet w idealnym silniku cieplnym ( silniku pracującym bez strat) tylko część z rozporządzalnej energii cieplnej można zamienić na w energię mechaniczną.

W rzeczywistym silniku spalinowym proces zamiany energii cieplnej w mechaniczną jest obarczony dodatkowymi stratami np. stratami niecałkowitego lub niezupełnego spalania paliwa, tarcia, chłodzenia, itp.

Najogólniej bilans tej zamiany można zapisać następująco:

Q_d = L_e + Q_s

gdzie:

Q_d - energia cieplna dostarczona w paliwie,

L_e - efektywnie uzyskana energia mechaniczna,

Q_s - straty energetyczne procesu zamiany energii cieplnej w energię mechaniczną.

Miarą doskonałości procesu zamiany energii cieplnej Q_d w energię mechaniczną L_e, który realizuje się w silniku, jest sprawność ogólna(efektywna) silnika η_e definiowana jako

L_e

η_e = _

Q_d

Tłokowy silnik spalinowy osiąga największą sprawność ogólną i wynosi ona od 35 − 53 %.

Silniki wolnoobrotowe mają sprawność 40-53 % a silniki szybkoobrotowe 35-42%.

Podział silników wg sposobu działania (dot. silników o posuwisto - zwrotnym ruchu tłoka)

ze względu na liczbę suwów przypadających na jeden cykl roboczy:

• czterosuwowe,

• dwusuwowe.

Zasady działania tłokowych silników spalinowych.

Zasada działania czterosuwowego silnika z zapłonem samoczynnym.

W silniku czterosuwowym jeden cykl roboczy trwa dwa obroty wału korbowego i składa się z czterech suwów. Tak wiec, tylko podczas jednego suwu otrzymuje się pracę mechaniczną, trzy pozostałe służą procesom przygotowawczym.

Suw pierwszy - dolot powietrza ( ładowanie) tłok przesuwa się z GMP do DMP. W tym czasie przez otwarty zawór dolotowy do przestrzeni roboczej (cylindra) dolatuje powietrze z otoczenia (silnik niedoładowany) lub z kolektora powietrza, w którym znajduje się ono wstępnie sprężone ( silnik doładowany).

GMP ( górne martwe położenie) - położenie tłoka w cylindrze odpowiadające najmniejszej objętości przestrzeni roboczej.

DMP (dolne martwe położenie)- położenie tłoka w cylindrze odpowiadające największej objętości przestrzeni roboczej.

Suw drugi - sprężania - tłok minąwszy DMP przesuwa się w kierunku GMP, zawory dolotowy i wylotowy są zamknięte.

Suw trzeci - praca ( rozprężanie), tłok w wyniku działania siły ciśnienia spalin przesuwa się do DMP, rozprężające się spaliny wykonują pracę.

Suw czwarty - wylot - tłok minąwszy DMP wraca do GMP, wypychając spaliny z przestrzeni roboczej przez otwarty zawór wylotowy. Pod koniec suwu wylotu otwiera się zawór dolotowy, poczym cykl rozpoczyna się od nowa.

Zasada działania dwusuwowego silnika z zapłonem samoczynnym.

W silniku dwusuwowym jeden cykl roboczy trwa jeden obrót wału korbowego, czyli dwa suwy tłoka.

Wymiana czynnika roboczego, polegająca na usunięciu z przestrzeni roboczej spalin i napełnieniu jej powietrzem, odbywa się pod koniec suwu pracy i na początku suwu sprężania.

Suw pierwszy - sprężanie: po przejściu DMP tłok, przesuwając się w kierunku GMP, zamyka kolejno okna dolotowe, a następnie okna wylotowe.

Wylot spalin trwa do czasu zamknięcia okien wylotowych (lub zaworu wylotowego).

Od tego momentu powietrze ulega sprężeniu - wzrasta ciśnienie i temperatura.

Pod koniec suwu sprężania zostaje wtryśnięte paliwo.

Przebieg wtrysku i zapłonu przebiega jak w silniku czterosuwowym.

Suw drugi - rozprężanie: tłok minąwszy GMP przesuwa się do DMP.

Rozprężające się spaliny wykonują pracę.

Pod koniec tego suwu górna krawędź tłoka odsłania okna wylotowe, początkując wylot spalin. Następnie tłok odsłania okna dolotowe i świeży ładunek powietrza dostaje się do przestrzeni roboczej.

Gdy okna dolotowe są otwarte sprężone powietrze wypiera znajdujące się w przestrzeni roboczej spaliny. Dolot powietrza kończy się gdy w kolejnym cyklu roboczym tłok całkowicie przesłoni okna dolotowe.

Zasada działania czterosuwowego i dwusuwowego silnika doładowanego.

Praktycznie wszystkie współczesne silniki okrętowe buduje się jako doładowane.

Istota doładowania polega na zwiększeniu ilości powietrza doprowadzanego do silnika.

Dokonuje się to przez wstępne sprężanie powierza i jego schłodzenie przed doprowadzeniem go do przestrzeni roboczej silnika.

Dostarczona zwiększona ilość powietrza do silnika umożliwia spalanie w każdym cyklu roboczym większej dawki paliwa a zatem pozwala na, uzyskanie większej mocy silnika, bez zwiększania jego wymiarów ( średnicy cylindra, skoku tłoka, liczby cylindrów) i prędkości obrotowej.

Podział silników ze względu na stopień wstępnego sprężania ładunku:

• silniki niedoładowane, w których powietrze napływa do cylindra pod działaniem podciśnienia wywołanego ruchem tłoka,

• silniki doładowane, w których ładunek przed wejściem do przestrzeni roboczej jest wstępnie sprężany.

Podział silników ze względu na sposób zapłonu mieszanki paliwowo-powietrznej:

• silniki gaźnikowe, zasilane mieszanką powietrza i par paliwa ciekłego lub mieszanką powietrzno-gazową,

• wtryskowe - zasilane powietrzem i oddzielnie paliwem ciekłym.

Podział silników ze względu na sposób zapalania mieszanki paliwowo-powietrznej:

• silniki z zapłonem iskrowym,

• silniki z zapłonem samoczynnym.

Podział wg cech konstrukcyjnych i przeznaczenia:

a/ ze względu na liczbę cylindrów:

• jednocylindrowe,

• wielocylindrowe.

b/ z uwagi na układ cylindrów:

• układ rzędowy: 2-12 cylindrów; układ pionowy lub poziomy;

• układ widlasty: 8-16 cylindrów; kąt rozwidlenia 90; 60 i 45 stopni;

• układ gwiazdowy - jedno- lub wielorzędowe.

c/ ze względu na sposób prowadzenia tłoka:

• silniki bezwodzikowe,

• silniki wodzikowe.

d/ ze względu na prędkość obrotową:

• wolnoobrotowe 70 < n <240 obr/min,

• średnioobrotowe 240 < n <1200 obr/min,

• szybkoobrotowe 200 < n < 2500 obr / min.

e/ ze względu na średnią prędkość tłoka rozróżnia się:

• silniki wolnobieżne C_śr < 7 m/s,

• silniki średniobieżne 7 < C_śr < 10 m/s,

• silniki szybkobieżne 10 < C_śr < 15 m/s,

Średnią prędkość tłoka oblicza się według wzoru:

S x n

C_śr = __ m/s

30

gdzie: S - skok tłoka [m]; n - prędkość obrotowa [ obr/ min]

f/ ze względu na moc rozwijaną z cylindra silniki dzieli się na:

• silniki małej mocy do 25 kW / cyl,

• silniki średniej mocy do 500 kW / cyl,

• silniki dużej mocy do 2000 kW / cyl,

• silniki wielkiej mocy ponad 2000 kW / cyl.

g/ ze względu na nawrotność:

• silniki nienawrotne - o jednym kierunku obrotów w prawo lub w lewo;

• silniki nawrotne - mogące obracać się w obu kierunkach.

Ad. a/ Obiegi porównawcze (teoretyczne):

• rodzaje obiegów porównawczych,

• wskaźniki pracy obiegu porównawczego.

Wzorcem termodynamicznym powtarzających się okresowo procesów, którym podlega czynnik roboczy w cylindrze silnika jest termodynamiczny obieg teoretyczny lub porównawczy, składający się z teoretycznych przemian termodynamicznych, zbliżonych do przebiegu procesów rzeczywistych.

Różnice między obiegiem teoretycznym i rzeczywistym przebiegiem procesów termodynamicznych w silniku wynikają z niżej podanych założeń upraszczających, przyjętych dla obiegu teoretycznego:

Czynnikiem roboczym jest gaz doskonały, charakteryzujący się zwłaszcza stałym ciepłem właściwym c_p i c_v.. W silniku rzeczywistym czynnikiem roboczym jest mieszanina powietrza i gazów spalinowych i zmieniającym się w trakcie procesu składzie masowym i chemicznym mieszaniny oraz jej temperatury.

Masa czynnika roboczego podczas całego obiegu jest stała, w obiegu rzeczywistym jest zmienna.

Sprężanie i rozprężanie czynnika roboczego odbywa się izentropowo, w silniku rzeczywistym politropowo z uwagi na ciągłą wymianę ciepła między czynnikiem roboczym a elementami silnika.

Doprowadzenie ciepła do obiegu odbywa się przez izochoryczne i izobaryczne podgrzewanie gazu, którego skład chemiczny nie ulega zmianie. W silniku rzeczywistym czynnik roboczy pobiera ciepło uzyskane ze spalenia oraz zmienna jest objętość i ciśnienie czynnika roboczego.

Wszystkie przemiany termodynamiczne przebiegają nieskończenie powoli, wobec czego prędkość zmian objętości gazu jest równa zeru, nie ma tarcia, ponieważ gaz nie wykonuje ruchu. W silniku rzeczywistym ruch czynnika roboczego jest spowodowany szybkim przebiegiem kolejnych przemian w cylindrze przez wymianę czynnika usuwanie spalin napełnianie przestrzeni roboczej świeżym ładunkiem.

Podział silników ze względu na teoretyczny obieg porównawczy:

• silniki ze spalaniem przy stałej objętości - obieg Otta (obieg teoretyczny silnika benzynowego),

• silniki ze spalaniem przy stałym ciśnieniu - obieg Diesla (obieg teoretyczny silnika sprężarkowego, tzw. klasyczny Diesel),

• silniki ze spalaniem mieszanym, przy stałej objętości i stałym ciśnieniu - obieg Sabathe'a (obieg teoretyczny silnika z zapłonem samoczynnym).

Podział silników okrętowych na układy funkcjonalne:

1. kadłub,

2. układ korbowo-tłokowy,

3. układ wymiany czynnika roboczego,

4. układ rozruchowo-nawrotny,

5. układ zasilania paliwem,

6. układ smarowania,

7. układ chłodzenia,

8. układ kontroli i sterowania,

9. urządzenia pomocnicze.

Ad1. Kadłub - konstrukcja nośna służąca do mocowania pozostałych elementów silnika, spełnia rolę obudowy i przenosi siły i momenty podczas pracy silnika na fundament. Elementy główne to: rama fundamentowa (podstawa silnika),stojaki, blok cylindrowy, głowica.

Ad 2. Układ korbowo tłokowy - tłok, wodzik, prowadnice, korbowód z łożyskami wodzikowymi, łożyska główne wspierające wał korbowy. Zadaniem układu jest zamian sił gazowych działających na tłok w moment obrotowy wału korbowego.

Ad 3. Układ wymiany czynnika roboczego - zadaniem jest napełnianie przestrzeni roboczej silnika nowym ładunkiem i usuwanie spalin. Główne elementy to - turbosprężarka, chłodnica powietrza, kolektor powietrza ładującego, zawory zwrotne, przestrzenie podtłokowe, kolektor wylotowy.

Ad 4. Układ rozruchowo - nawrotny; przesterowuje silnik ze stanu naprzód na wstecz poprzez przesterowanie wału rozrządu i krzywek sterujących rozruchem zaworów startowych.

Ad 5. Układ zasilania paliwem: zasila silnik paliwem w ilości odpowiadającej chwilowemu zapotrzebowaniu mocy. W skład układu wchodzą: pompa wtryskowa, wtryskiwacz, regulator prędkości obrotowej sterujący dawka paliwa podawana przez pompę wtryskową.

Ad 6. Układ smarowy - zasilanie olejem smarowym współpracujących par ciernych: łożyska, przeguby, przekładnie, gładź cylindrów. Główne elementy to: zbiornik oleju, pompa olejowa, filtry, chłodnica oleju, lubrykatory.

Ad 7. Układ chłodzenia: utrzymuje określoną temperaturę elementów silnika. Główne elementy to: pompa, chłodnica, czynnik chłodzący ( woda, olej), rurociągi i armatura.

Ad 8. Układ kontroli i sterowania: realizuje funkcje kontrolno - pomiarowe i sterownicze. Główne to: pomiar i kontrola obrotów, momentu obrotowego, parametrów procesu roboczego, ciśnień i temperatur powierza doładowującego, wody chłodzącej, oleju. System sterowania i układy bezpieczeństwa, sygnalizacja przekroczeń wartości granicznych.

Ad 9. Urządzenia pomocnicze - zawory bezpieczeństwa, obracarka, itp.

Obieg teoretyczny i porównawczy silnika z zapłonem samoczynnym.

Obieg teoretyczny silnika z zapłonem samoczynnym (obieg Sabathe'a lub Selingera)- rys.2.1, gdzie:

• 1-2 izentropowe sprężanie,

• 2-3 izochoryczne i 3-4 izobaryczne doprowadzenie ciepła do obiegu,

• 4-5 izentropowe rozprężanie,

• 5-1 izochoryczne odprowadzenie ciepła.

Na wykresie p-v (rys.2.1a) pole zawarte miedzy krzywymi przemian jest proporcjonalne do pracy obiegu teoretycznego L_t.

Ciepło obiegu Q - ciepło równoważne pracy obiegu teoretycznego przedstawia wykres T-S ( rys.2.1b).

Przykład obiegu porównawczego czterosuwowego silnika doładowanego - rys.2.2.

Wykres porównawczy skonstruowany ( realizowany) jest przy założeniach, że czynnikiem roboczym jest gaz półdoskonały lub rzeczywisty sprężany i rozprężany politropowo, do którego ciepło jest dostarczone przez spalanie dawki paliwa, przebiegające jednakże przy stałej objętości i stałym ciśnieniu z uwzględnieniem strat niezupełnego i niecałkowitego spalania(ciepło Q₂ odprowadzone jest z obiegu ze spalinami).

W przypadku silników czterosuwowych uwzględnia się dodatkowo pole zawarte pomiędzy krzywymi dolotu i wylotu.

Charakterystyczne parametry termodynamiczne obiegu teoretycznego.

Są to parametry w stanach 2,3,4 i 5 (rys.2.1) wyznaczone dla parametrów stanu 1 ( p₁,t₁) oraz dla założonych wartości ε, ϕ, ρ, gdzie:

p₁ - ciśnienie czynnika roboczego stanu 1,

T₁ - temperatura bezwzględna czynnika roboczego stanu 1,

ε = V₁ / V₂ - geometryczny stopień sprężania,

ϕ = p₃ / p₂ - stopień izochorycznego przyrostu ciśnienia,

ρ= V₄ / V₃ - stopień izobarycznego przyrostu objętości.

Wielkości V₁, V₂, V₃, V₄, p₂, p₃, oznaczają odpowiednio objętość i ciśnienie w stanach 1,2,3,4.

Sprężanie:

ciśnienie w stanie 2 - przejście gazu ze stanu 1 do 2 następuje wg izentropowego sprężania

p₂ = p₁(V₁/V₂)^k = p₁ ε^k

temperatura w stanie 2 T₂ = T₁ ε^k-1 gdzie : k - wykładnik izentropy sprężania

Doprowadzenie ciepła:

ciśnienie w stanie 3 p₃ = p₁ ε^k φ

temperatura stanu 3 T₃ = T₁ ε^k-1 φ

ciśnienie p₄ w stanie 4 p₄ = p₃

temperatura stanu 4 T₄ = T₁ ε^k-1 φ ρ

Rozprężanie:

ciśnienie w stanie 5 p₅ = p₁ φ ρ^k

temperatura wstanie 5 T₅ = T₁ φ ρ^k

Sprawność obiegu teoretycznego. Sprawność teoretyczna.

Sprawnością teoretyczną η_t nazywa się stosunek ilości ciepła równoważnego pracy w obiegu teoretycznym do ilości ciepła doprowadzonego do czynnika w tym obiegu

η_t = Q / Q₁

gdzie: Q₁ = Q_1v + Q_1p - ciepło doprowadzone, Q₂ - ciepło odprowadzone.

Czyli ciepło obiegu Q = Q₁ - Q₂ i jest ono równoważne pracy mechanicznej.

Q₂

Skąd η_t = 1 - __

Q₁

1 φ ρ^k - 1

η_t = 1 - ____ ___________________

ε ^k-1 ( φ - 1) + k φ ( ρ - 1)

Sprawność teoretyczna obiegu Sabathe'a wzrasta ze wzrostem stopnia sprężania ε i ze wzrostem stopnia izochorycznego przyrostu ciśnienia φ, maleje natomiast ze wzrostem izobarycznego stopnia przyrostu objętości ρ.

Zależność η_t w funkcji ε dla φ = 1,5 i różnych wartości ρ ilustruje rys.2.3.

Stopień sprężania ε jest ograniczony warunkami spalania oraz względami wytrzymałościowymi i obecnie wynosi on dla silników okrętowych ε = 10 - 15.

Średnie ciśnienie teoretyczne.

Średnim ciśnieniem teoretycznym obiegu p_t nazywa się stosunek pracy teoretycznej L_t do przyrostu objętości

ΔV = V₁ - V₂,

jakiej doznaje czynnik roboczy, wykonując pracę Lt, czyli

p_t = L_t / ΔV.

Podstawiając do wzoru wartości ε, φ i ρ otrzymamy uproszczony wzór na p_t

ε^k η_t

p_t = p₁—————[ φ-1 + kφ(ρ-1)]

(k-1)(ε-1)

Wpływ φ,ρ,ε na ciśnienie teoretyczne p_t ilustruje rys 2.5.

Obieg Sabathe'a z doładowaniem turbosprężarkowym - rys.2.6.

Na obieg roboczy (porównawczy) silnika doładowanego turbosprężarką składają się przemiany i procesy zachodzące w:

• sprężarce rotodynamicznej,

• spalinowym silniku tłokowym,

• turbinie spalinowej.

Wniosek: w wyniku doładowania parametry termodynamiczne - ciśnienie i temperatura - w charakterystycznych stanach obiegu są wyższe niż dla analogicznych stanów silnika niedoładowanego - tabela 2.1.

W wyniku π - krotnego ( przyrost cisnienie-spręż w sprężarce π =p₁/p_1') zwiększenia ciśnienia początkowego, bez zmian innych parametrów, temperatury we wszystkich stanach obiegu teoretycznego z doładowaniem nie zmieniają się(T₁ = T_1'- schładzanie powietrza za sprężarką), natomiast zwiększają się π - krotnie ciśnienia w poszczególnych stanach obiegu.

Ad.b/ Obiegi rzeczywiste:

• wykres indykatorowy, analiza wykresów indykatorowych,

• ładowanie, przebieg, parametry, ustawienie rozrządu, wpływ prędkości i obciążenia,

• sprężanie (przebieg, parametry);

• tworzenie mieszaniny palnej (rozpylenie paliwa, parowanie i mieszanie z powietrzem);

• spalanie ( opóźnienie samozapłonu, fazy spalania, szybkość spalania, max cisnienie spalania);

• rozprężanie (przebieg, parametry);

• wydech (przebieg, fazy wydechu, parametry).

Wykres indykatorowy, analiza wykresów indykatorowych

(Obieg rzeczywisty silnika z zapłonem samoczynnym)

Obrazem graficznym obiegu rzeczywistego w układzie p-V jest wykres indykatorowy - rys.2.7.

Parametry termodynamiczne obiegu rzeczywistego.

• ciśnienie i temperatura na dolocie do cylindra.

• ciśnienie i temperatura na początku i końcu sprężania

• największe ciśnienie i temperatura spalin,

• parametry spalin w chwili otwarcia zaworów lub okien wylotowych i podczas wylotu spalin.

Parametry te zależą od:

• założeń konstrukcyjnych silnika,

• czynników eksploatacyjnych (stan techniczny silnika i stopień obciążenia)

Dolot ładunku

Ciśnienie dolotu: (2.14) dwusuwowy p₁ = (0,85 - 1,00)p_d

(2.14a) czterosuwowy p₂ = (0,90 - 0,95)p_d

Spadek ciśnienia powietrza ładującego jest spowodowany oporami przepływu i dławieniem.

Największe cisnienie ładunku na końcu dolotu, czyli na początku sprężania mają silniki wolnoobrotowe o przepłukaniu wzdłużnym, natomiast najmniejsze silniki szybkoobrotowe czterosuwowe o przewodach dolotowych z dużym oporem przepływu.

Temperatura na końcu dolotu ( ładowania) - wzór 2.15.

T_d + ΔT + γ_rT_r

T_ł = ________

1 + γ_r

gdzie:

T_d - temperatura powietrza na dolocie do przestrzeni roboczej ( w zasobniku).

T_r - temperatura reszty spalin, 800-900 K dla 2-suw; 650-800 K dla 4-suw.

ΔT - przyrost temperatury ładunku ; 20-30 K,

γ_r - współczynnik reszty spalin m_r / m_ł.; 0,02-0,04 dla 4-suwów; 0,04-0,08 dla 2-suwów z

przepłukaniem wzdłużnym i 0,12-014 dla 2suwów z przepłukaniem porzecznym.

Sprężanie

Rzeczywisty stopień sprężania jest mniejszy od geometrycznego stopnia sprężania - wzór 2.16.

Ciśnienie ładunku na końcu sprężania p_k - wyznaczone z równania politropy - wzór. 2.17.

p_k = p₁ ε _eⁿ ponieważ średnia wartość wykładnika politropy n < k to w konsekwencji p_k < p₂

Temperatura ładunku na końcu sprężania politropowego T_k - wzór 2.18

T_k = T₁ ε _e^{n -1} ( 250-300 K)

Ze względu na prawidłowy przebieg samozapłonu i spalania mieszaniny temperatura T_k musi być wyższa od temperatury samozapłonu o ( 250-300 K)

Parametry końca spalania

Ciśnienie końca spalania p _max = φ p_k - wzór 2.19.

• 8-16 MPa-dwusuwowe wolnoobrotowe;

• 6-18 MPa -czterosuwowe średnioobrotowe

Przeciętne wartości p _max określa tabela 2.2.

Temperatura spalania T _max ( wyliczana z bilansu cieplnego) wynosi :

• 1800 - 2200 K ( dwusuwowe-wolnoobrotowe);

• 2000- 2500 K ( średnioobrotowe - czterosuwowe).

Rozprężanie

Ciśnienie na końcu rozprężania p₅ = p_max/ ε_erⁿ₂ (wynosi 0,3-0,6 MPa) - wzór 2.20.

gdzie ε_{er -} rzeczywisty stopień rozprężania ≈ ε _e / ρ

Temperatura na końcu rozprężania T₅ = T _max / ε_erⁿ₂^-1 (wynosi 800-1000K 2-suw; 900-1200 K 4-suw. ) -wzór 2.22

Wylot

Wylot spalin odbywa się wskutek ich nadciśnienia w stosunku do ciśnienia atmosferycznego lub ciśnienia w zbiorniku spalin.

Średnie ciśnienie wylotu p_w jest mniejsze od ciśnienia doładowania p_d o 10-30 kPa (0,01 - 0,03 MPa)

Sprawność indykowana η_i - sprawność obiegu rzeczywistego - wzór 2.23

Podobnie jak w obiegu teoretycznym tak i w rzeczywistym procesie roboczym tylko z części doprowadzonego ciepła otrzymuje się energię mechaniczną.

Miarą wykorzystania tego ciepła jest sprawność indykowana η_i

Q_i L_i

η_i = __ = ___

Q₁ Q_d

Jest to stosunek ciepła Qi , równoważnego pracy indykowanej L_i w rzeczywistym obiegu, do ilości ciepła doprowadzonego Q₁ = Q_d do czynnika roboczego w tym obiegu.

Praca indykowana L_i jest proporcjonalna do pola obiegu rzeczywistego F_i na wykresie indykatorowym - rys.2.7.

Średnie ciśnienie indykowane. Średnie ciśnienie obiegu rzeczywistego.

Obieg rzeczywisty, zwany w praktyce wykresem indykatorowym przedstawia zmiany ciśnienia w cylindrze ( przestrzeni roboczej) w funkcji skoku tłoka S lub objętości skokowej V_s.

Pole wykresu jest proporcjonalne do pracy jednego cyklu ( obiegu), czyli tzw. pracy indykowanej L_i.

Wykresy indykatorowe silnika dwusuwowego ( rys.2.7a) i uproszczony wykres indykatorowy czterosuwowego silnika doładowanego ( rys.2.7b).

W warunkach okrętowych wykres indykatorowy służy głownie do pomiaru i regulacji mocy silnika.

Aby tego dokonać potrzebna jest znajomość średniego ciśnienia indykowanego p_i.

Średnim ciśnieniem indykowanym p_i nazywa się takie stałe, zastepcze (obliczeniowe) ciśnienie czynnika roboczego, które działając na tłok podczas suwu pracy, wykonałoby taka samą pracę indykowaną L_i., jak zmienne cisnienie rzeczywiste w jednym cyklu pracy.

p_i. = L_i. / V_s ( wzór 2.24) dysponując wykresem indykatorowym (rys.2.7), którego pole powierzchni wynosi F_i [mm²], a długość l_i [mm], średnie cisnienie indykowane oblicza się wg wzoru:

p_i. = F_i / l_i f [mm/Nm²],[Pa] gdzie: f - skala wykresu ( skala sprężyny indykatora) [ mm / N/m²] lub [mm / Pa].

A zatem, średnie cisnienie indykowane p_i jest równe wysokości prostokąta, którego podstawa l_p i pole F_p równe są długości l_i i polu F_i wykresu indykatorowego.

Powierzchnie wykresu F_i wyznacza się przez planiometrowanie.

Średnie cisnienie indykowane można także obliczyć na podstawie wykresu obiegu teoretycznego lub wykresu porównawczego (rys.2.7)

Korzystając z zależności 2.13 na średnie cisnienie teoretyczne p_t wzór na średnie ciśnienie indykowane przybiera postać:

p_i = η_g . p_t ( wzór 2.25)

i po podstawieniu za p_t zależność 2.13 ( wzór na p_t) otrzymamy: (wzór 2.25a)

ε^k η_t

p_i = η_g p₁ —————[ φ-1 + k φ (ρ-1)]

(k-1)(ε-1)

η_g - stopień wypełnienia wykresu porównawczego, jest to(rys.2.11 - porównanie wykresów porównawczego i indykatorowego) stosunek ciepła Q_i równoważnego pracy indykowanej L_i do ilości ciepła Q = Q₁-Q₂ równoważnego pracy L_t obiegu porównawczego ( wzór 2.26):

η_g = L_i / η_t Q₁

Ponieważ praca obiegu jest proporcjonalna do pola obiegu, dlatego η_g można przedstawić stosunkiem pól wykresu indykowanego i porównawczego (wzór 2.26a) .

Przeciętnie średnie cisnienie indykowane współczesnych silników okrętowych dla znamionowych obciążeń wynoszą:

0,8 - 1,5 MPa dla dwusuwowych wolnoobrotowych ; 1,6 - 2,5 MPa dla średnioobrotowych czterosuwowych.

16) Wymienić rodzaje wykresów indykatorowych i sposoby ich sporządzania.

Wykres rozwinięty otrzymujemy z indykatora elektronicznego i mechanicznego. W czasie indykowania mechanicznym musimy w odpowiednim cyklu obrucić bęben z papierkiem indykatora aby otrzymać wykres rozwinięty.

- wykres słupkowy otrzymujemy poprzez przesunięcie bębna w czasie zbierania wykresu powolnym ruchem w granicy 1-2 cm.

- wykres zamknięty otrzymujemy podobnie jak rozwinięty z tym że bęben musi szybko się obrócić i wrócić na miejsce.

17) Opisać indykowanie silników urządzeniami elektronicznymi, zasady działania, możliwości i zalety w porównaniu do indykatorów mechanicznych.

Wykresy słupkowe przedstawiające zmierzone lub wyznaczone parametry pracy silnika

5BAH22,

MIP - średnie ciśnienie indykowane,

PMAX - maksymalne ciśnienie spalania,

PCOM -ciśnienie sprężania,

AIGN - kąt samozapłonu z przebiegu ciśnienia,

AFVO - kąt całkowitego otwarcia wtryskiwacza (z drgań),

AFVC - kąt zamknięcia wtryskiwacza (z drgań),

AFVP - kąt trwania wtrysku (z drgań),

AOVC - kąt zamknięcia zaworów dolotowych.

Silniki o nowszej konstrukcji są wyposażone w urządzenia do ciągłej indykacji.

Za pomocą elektronicznego indykatora możemy odczytać:
- średnie ciśnienie indykowane
- maksymalne ciśnienie spalania
- ciśnienie sprężania
- ciśnienie rozprężania
- moc indykowana

Indykatory elektroniczne składają się z czujnika ciśnienia spalania zainstalowanego na kurku indykatorowym, czujnika położenia wału korbowego, zestawu kabli i głównego procesora sygnałów połączonego z monitorem lub rzadziej z oscyloskopem i drukarką.

Do podstawowych zalet należy:
- prostota obsługi i małe wymagania odnośnie manualnych kwalifikacji osób korzystających
- łatwa i szybka analiza wykresów
- większa dokładność pomiaru i odwzorowania przebiegu ciśnienia w cylindrze.
- możliwość łatwego uśredniania wyników
- atrakcyjność jego obniża wysoki koszt oraz trudności związane z niezawodnością czujników
Wkręcając do kurka indykatorowego przyłącze z czujnikiem KISTLERA, zamieniającego impuls ciśnienia na sygnał elektryczny, oraz sensor laserowy do odczytu obrotów silnika, otrzymujemy dane które są przekazywane do pamięci głównego zestawu pomiarowego. Do kompletu informacji pozwalających na wyciągnięcie właściwych wniosków spisujemy także: temperaturę spalin wychodzących z układu, nastawę listwy paliwowej na pompie wtryskowej oraz ciśnienie powietrza doładowującego. W przeciwieństwie do klasycznego pomiaru maksymalnego ciśnienia panującego w układzie otrzymujemy cały wykres rozwinięty w funkcji kąta obrotu wału korbowego. Po wykonaniu pomiarów na silniku, dane są transponowane do komputera. Na tym etapie dodawane są także spisane uprzednio wielkości temperatur i nastaw listew paliwowych. Wstępna analiza odbywa się w momencie gdy uzyskamy wykres rozwinięty. Na jego podstawie jesteśmy w stanie określić różnice pomiędzy układami diagnozowanego silnika.

18) Wymienić i scharakteryzować możliwe błędy związane z indykowaniem silników - indykatorami mechanicznymi i indykatorami elektronicznymi

Do najczęstszych błędów przy indyk. Silnika indykatorem mechanicznym jest :
- zły dobór sprężyny,
-złe schłodzenie indykatora przed następnym pomiarem,
- niedokładne wykresy rozwinięte,
- błędy w mierzeniu słupków.

Największy błąd można popełnić przy planimetrowaniu. 1' błędu w określeniu GMP wiąże się z 10% błędem w określeniu średniego ciśnienia indykowanego.

19) Omówić możliwości oceny procesu spalania przy wykorzystaniu przebiegów indykatorowych - podać przykłady
Proces spalania możemy ocenić na podstawie następujących pomiarów:
- średniego ciśnienia indykatorowego
- wartości maksymalnego ciśnienia spalania i jego położenia względem GMP
- ciśnienia sprężania
- ciśnienia sprężania w jednym, wybranym punkcie za GMP
- dynamiki (gradientu) przyrostu ciśnienia w początkowej fazie spalania

Wykresy ciśnienia wtrysku mogą wykazać typowe niesprawności układu wtryskowego:
- zbyt niskie ciśnienie wtryskiwacza lub pęknięta sprężyna wtryskiwacza
-zbyt mały/duży wydatek pompy paliwowe
- zapieczona końcówka wtryskiwacza lub zbyt duża lepkość
- zbyt duży/mały kont wyprzedzenia wtrysku
- nadmierne zużycie otworków wtryskiwacza lub zbyt mała lepkość paliwa

9

---