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: ht=(q1-q2)/q1=1-(q1/q2);
Ilość doprowadzonego ciepła do obiegu: q1=q1’+q1’’=cv(Tz’-Tc)+cp(Tz-Tz’); q2=q2’+q2’’=cv(Tb-Tf)+cp(Tf-Ta);
Po podstawieniu q1 i q2 do ogólnego wzoru na ht 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: Vs=Vb-Vc=V2d-Vc=Vc(dr-1)=(Va/E)(dr-1); wówczas q1=q1’+q1’’=cv(Tz’-Tc)+cp(Tz-Tz’)=
=cvTc[lp-1+klp(r-1)] =cvTaek-1[lp-1+klp(r-1)]; średnie ciśnienie teoretyczne obiegu jest równe:
; Dla obiegu z doprowadzeniem ciepła przy p,V=const (Sabathe) Vb=Va i dr=(V2/Vc)(Va/V2)=e oraz uwzględniając, że: cv=R/(k-1), Ta/Va=pa/R otrzymujemy:
Najbardziej efektywnym sposobem zwiększenia pt jest zwiększenie ciśnienia pa, co można osiągnąć przez zwiększenie ilosci ładunku w cylindrze. Realizowane jest to przez doładowanie silnika, co powoduje zwiększenie pt, q1, e, lp.
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 ht=1-(1/ek-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 e i wykładnika adiabaty k wzrasta również sprawność teoretyczna obiegu. Sprawność nie zależy od ilości ciepła doprowadzonego do obiegu ani od pracy obiegu. ht=1-(1/ek-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
b - wielkość proporcjonalna do stosunku ilości tlenu potrzebnego do spalenia wodoru do ilości tlenu potrzebnego na spalenie węgla. Dla paliw pochodzenia naftowego b=0,33-0,42.
Dla każdego paliwa postaci CnHmOr 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 SCnHmOr+N2=1:
Współczynnik nadmiaru powietrza l jest to stosunek rzeczywistej ilości powietrza L do ilości stechiometrycznej: l=L/L0. Całkowite spalanie możliwe jest tylko przy l>=1. Silniki gaźnikowe pracują przy l=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=lLO. Zaniedbuje się objętość wtryśniętego paliwa w porównaniu z objętością powietrza. Przy l>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: MCO2=C/12; MH2O=H/2; ; . Całkowita ilość spalin jest sumą:
M2=MCO2+MH2O+MO2+MN2. (l-1)LO – nadmiar powietrza w produktach spalania.
9. Ilość i skład spalin powstających ze spalania jednostki paliwa ciekłego przy l<1.
Przy l<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. Pr...
madziula0001