Andrzej Ambrozik

Podstawy teorii tokowych silnikw spalinowych

Warszawa 2012

Politechnika Warszawska Wydzia Samochodw i Maszyn Roboczych Kierunek studiw "Edukacja techniczno informatyczna" 02-524 Warszawa, ul. Narbutta 84, tel 22 849 43 07, 22 234 83 48 ipbmvr.simr.pw.edu.pl/spin/, e-mail: sto@simr.pw.edu.pl

Opiniodawca: prof. nzw. dr hab. In. Feliks RAWSKI

Projekt okadki: Norbert SKUMIA, Stefan TOMASZEK

Projekt ukadu graficznego tekstu: Grzegorz LINKIEWICZ

Skad tekstu: Magdalena BONAROWSKA

Publikacja bezpatna, przeznaczona dla studentw kierunku studiw "Edukacja techniczno-informatyczna".

Copyright 2012 Politechnika Warszawska

Utwr w caoci ani we fragmentach nie moe by powielany ani rozpowszechniany za pomoc urzdze elektronicznych, mechanicznych, kopiujcych, nagrywajcych i innych bez pisemnej zgody posiadacza praw autorskich.

ISBN 83-89703-88-2

Druk i oprawa: STUDIO MULTIGRAF sp. z o.o., ul. Oowiana 10, 85-461 Bydgoszcz

Spis treci

Wykaz waniejszych oznacze............................... 5

Wstp ................................................................... 11

1. Wprowadzenie................................................. 13

1.1. Klasyfikacja tokowych silnikw spalinowych .......................... 14 1.2. Podstawowe wskaniki i warunki pracy

silnikw samochodowych .......................................................... 17

2. Termodynamiczne cykle pracy tokowych silnikw spalinowych..................... 23

2.1. Wiadomoci oglne.................................................................... 24 2.2. Uoglniony cykl pracy czterosuwowego

tokowego silnika spalinowego .................................................. 28 2.3. Cykl z doprowadzeniem ciepa przy staej objtoci

(cykl Otta) .................................................................................. 35 2.4. Cykl z doprowadzeniem ciepa przy staym cinieniu

(cykl Diesla) ............................................................................... 36 2.5. Cykl z mieszanym sposobem doprowadzenia ciepa

(cykl Sabathea).......................................................................... 37 2.6. Teoretyczne cykle pracy doadowanych tokowych

silnikw spalinowych ................................................................. 38 2.7. Podstawy dwusuwowych silnikw spalinowych........................ 44

3. Czynnik roboczy i jego waciwoci ................ 51

3.1. Wiadomoci wstpne.................................................................. 52 3.2. Krtkie informacje o strukturze i skadzie paliw........................ 53 3.3. Czynnik roboczy i jego waciwoci .......................................... 58

4. Porwnawcze cykle pracy tokowych silnikw spalinowych..................... 69

4.1. Wiadomoci wstpne.................................................................. 70

Strona 4444

4.2. Uoglniony model matematyczny procesw w cylindrze czterosuwowego silnika spalinowego ........................................ 72

4.3. Wymiana czynnika roboczego w czterosuwowym silniku spalinowym...................................... 75

4.4. rednie cinienie w cylindrze podczas procesu napeniania oraz stopie napeniania cylindra ............................................... 90

4.5. Proces sprania ......................................................................... 96 4.6. Proces doprowadzania ciepa w porwnawczym cyklu

pracy silnika ............................................................................. 104 4.7. Proces rozprania czynnika roboczego w cylindrze ............... 106 4.8. Obliczanie temperatury spalin w ukadzie wylotowym silnika 108

5. Rzeczywiste cykle pracy tokowych silnikw spalinowych................... 111

5.1. Wiadomoci wstpne................................................................112 5.2. Proces wymiany czynnika roboczego ...................................... 116 5.3. Mieszanka palna w tokowych silnikach spalinowych............. 122 5.4. Proces samozaponu i spalania ................................................. 138 5.5. Analiza rzeczywistego wykresu indykatorowego

silnika o zaponie wymuszonym .............................................. 145 5.6. Analiza rzeczywistego wykresu indykatorowego

silnika o zaponie samoczynnym.............................................. 147 5.7. Tworzenie toksycznych skadnikw spalin

w czasie procesu spalania......................................................... 154 5.8. Zewntrzny bilans cieplny silnika ............................................ 157

6. Tendencje rozwojowe silnikw o zaponie samoczynnym ................ 163

Literatura............................................................ 167

Wykaz waniejszych oznacze

Wielkoci fizyczne

a wspczynnik temperaturowy ciepa waciwego gazu pdoskona ego, J/(kmol K) b wspczynnik temperaturowy ciepa waciwego gazu pdoskona ego, J/(kmol K2) B szeroko czoa strugi rozpylonego paliwa, m

c ciepo waciwe, J/(kg K), liczba cylindrw silnika, cp ciepo waciwe przy staym cinieniu, J/(kg K) cv ciepo waciwe przy staej objtoci, J/(kg K) c molowe ciepo waciwe, J/(kmol K)

pc molowe ciepo waciwe przy staym cinieniu, J/(kmol K)

vc molowe ciepo waciwe przy staej objtoci, J/(kmol K)

c cylinder,

C stenie, kmol/m3

dv rednia objtociowa rednica kropli rozpylonego paliwa, m ds rednia powierzchniowa rednica kropli rozpylonego paliwa, m

D rednica cylindra m, ukad dolotowy silnika

DZP dolne zwrotne pooenie toka,

E energia cakowita, J

Ea energia aktywacji, J f pole przekroju przelotowego m2, prdko rozgazienia acuchowej reakcji chemicznej, F pole powierzchni, m2

FAME estry metylowe kwasw tuszczowych oleju rzepakowego,

Strona 6666

g przypieszenie ziemskie m/s2, jednostkowe zuycie paliwa z inde ksem dolnym e lub i kg/(kWh), szybko zrywania acucha rozga zionej acuchowej reakcji chemicznej gc dawka paliwa przypadajca na cykl pracy silnika, kg/cykl Gh godzinowe zuycie paliwa przez silnik, kg/h

GZP grne zwrotne pooenie toka,

h entalpia waciwa, J/kg

hi wznos iglicy rozpylacza, m

H entalpia, J

K staa rwnowagi reakcji chemicznej, l praca przypadajca na jednostk iloci substancji, J/kg L praca, J

Lstr dugo strugi rozpylonego paliwa (zasig strugi paliwa), m Lk dugo korbowodu, m

m masa kg, rzd reakcji chemicznej m masa molowa, kg/kmol

M ilo kmoli substancji, kmol Mo ilo kmoli powietrza koniecznego do cakowitego i zupenego spalenia jednostki paliwa, kmol/kg MS mechanizmy silnika,

m& natenie przepywu, kg/s

n prdko obrotowa, obr/min, wykadnik przemiany politropowej na stenie czstek aktywnych chemicznie,

N moc, W

OWK obroty wau korbowego silnika,

p cinienie, Pa

Strona 7777

q ciepo odniesione do jednostki iloci substancji, J/kg Q ilo ciepa, J Q1 ilo ciepa doprowadzonego do cyklu pracy silnika, J/cykl Q2 ilo ciepa odprowadzonego z cyklu pracy silnika, J/cykl r udzia objtociowy, m3/m3 R indywidualna staa gazowa J/(kg K), promie wykorbienia wau korbowego m, relacja rozmyta R uniwersalna staa gazowa, J/(kmol K) s entropia waciwa, J/(kg K) S entropia J/K, skok toka, m

St liczba Stantona,

t czas, s

T temperatura, K

u prdko m/s, waciwa energia wewntrzna, J/kg

U energia wewntrzna, J

wch wzgldna ilo ciepa odprowadzonego do cianek ograniczajcych przestrze spalania, J/m2

w0 pocztkowa prdko powstawania zarodkw reakcji chemicznej, 1/s

W ukad wylotowy silnika

Wu warto opaowa paliwa, J/kg

v objto waciwa, m3/kg V objto chwilowa, m3 x wzgldna ilo wydzielonego ciepa podczas procesu spalania,

x& szybko wydzielania wzgldnej iloci ciepa podczas procesu spa lania, 1/s

z udzia molowy, kmol/kmol

Strona 8888

kt obrotu wau korbowego silnika, O.W.K.

g wspczynnik przejmowania ciepa, W/(m2 K)

cakowity wspczynnik zmian molowych kmol/kmol, kt midzy osi cylindra i korbowodem, rad

0 chemiczny wspczynnik zmian molowych, kmol/kmol wspczynnik resztek spalin kmol/kmol, kt rozwarcia stoka strugi rozpylonego paliwa, rad

stopie kolejnego procesu ekspansji, wielko szczeliny przekroju przelotowego na zaworze m, grubo strefy pomienia m, wzgldna maa ilo wymienianego ciepa

sp wzgldna ilo pracy suww pompowych

stopie kompresji sprawno

v stopie napenienia cylindra silnika

wykadnik izentropy

stosunek nadmiaru powietrza (tlenu)

p stopie wzrostu cinienia podczas procesu spalania

gsto molowa kmol/m3 wspczynnik wydatku przepywu

)x( funkcja przynalenoci zbioru rozmytego

( )zzf efektywny przekrj przelotowy na zaworze, m2 postp reakcji chemicznej procesu spalania, gsto kg/m3, wstpny stopie ekspansji podczas procesu spalania, wzgldna zmiana objtoci cylindra, liczba suww cyklu pracy silnika,

Strona 9999

stopie wypenienia porwnawczego wykresu indykatorowego przez rzeczywisty wykres indykatorowy,

funkcja przepywu gazu, sumaryczna charakterystyka rozpylania paliwa, 1/m

Indeksy dotyczce

1 doprowadzone,

2 wyprowadzone,

a koniec procesu napeniania, pocztek procesu sprania,

b pocztek procesu wylotu spalin z cylindra,

c cykl, koniec procesu kompresji odpowiadajcy pooeniu toka w GZP,

d dolot,

e efektywny,

h godzinowe,

i indykowany,

k kolejny numer, korbowd, kol kolektor,

kr krytyczny,

ks komora spalania, koniec procesu spalania,

kwt koniec wtrysku paliwa,

l laminarny,

max wielko maksymalna,

min wielko minimalna,

Ms mechanizmy silnika,

n normalna,

o otoczenie, cakowity,

Strona 10101010

od otwarcie zaworu dolotowego,

ow otwarcie zaworu wylotowego,

p cinienie,

pal paliwo,

ps pocztek spalania,

pwt pocztek wtrysku paliwa,

r resztki spalin,

s skokowa,

sc cianka,

sp suwy pompowe,

spal spaliny,

spr spranie,

str struga rozpylonego paliwa, straty,

r warto rednia,

t teoretyczny,

w wylot,

wt wtrysk paliwa,

ww wyprzedzenie wtrysku paliwa,

x wzgldna ilo wydzielonego ciepa,

z koniec umownego koca procesu spalania,

zd zamknicie zaworu dolotowego,

zw zamknicie zaworu wylotowego.

Wstp Niniejsze materiay zostay opracowane w ramach realizacji Programu Rozwojowego Politechniki Warszawskiej wspfinansowanego przez Uni Europejsk w ramach Europejskiego Funduszu Spoecznego - PROGRAM OPERACYJNY KAPITA LUDZKI. Przeznaczone s dla studentw kierunku EDUKACJA TECHNICZNO INFORMACYJNA na Wydziale Samochodw i Maszyn Roboczych Politechniki Warszaw-skiej. Swoim zakresem obejmuj zagadnienia okrelone w programie studiw dla przedmiotu oglnego pt. Pojazdy samochodowe opisanym w sy-labusie opracowanym dla tego przedmiotu. Zawarto merytoryczna programu przedmiotu spenia wymagania okrelone w standardach ksztacenia Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyszego dla kierunku Edukacja techniczno-informatyczna. Celem opracowania tych materiaw byo zapoznanie studentw kie-runku ,,Edukacja techniczno-informatyczna Wydziau Samochodw i Maszyn Roboczych Politechniki Warszawskiej z podstawami teorii to-kowych silnikw spalinowych. Znajomo podstaw oraz obecnego stanu wiedzy w dziedzinie tokowych silnikw spalinowych jak rwnie ist-niejcych obecnie tendencji ich rozwoju, konieczna jest do stosowania racjonalnych metod ich konstruowania i budowy oraz uytkowania w pojazdach samochodowych i maszynach budowlanych oraz drogo-wych bd te stosowanych jako rda napdu rnego rodzaju stacjo-narnych urzdze technicznych. Ze wzgldu na zaleno wszystkich ekonomiczno-energetycznych i ekologicznych wskanikw pracy silnika spalinowego od przebiegu proce-sw termodynamicznych i termoche-micznych w jego cylindrach, gwn wag w opracowanych materiaach postanowiono przywiza do omwienia termodynamicznych cykli pracy tokowych silnikw spalinowych, z uwzgldnieniem waciwoci czynnika roboczego realizujcego te cykle. Duo miejsca w materiaach powicono omwieniu procesw wymiany czynnika roboczego w cy-lindrze i procesom doprowadzenia paliwa do cylindra oraz procesom tworzenia mieszanki palnej i szkodliwych skadnikw spalin. Rozdzia ciepa wydzielanego podczas procesu spalania przedstawiono w postaci zewntrznego bilansu ciepa. Opracowanie zakoczono wskazaniem na istniejce obecnie tendencje rozwojowe silnikw o zaponie samoczyn-nym coraz czciej wyposaonych w zasobnikowe ukady paliwowe Common Rail oraz wieloetapowy wtrysk paliwa.

Strona 12121212

1 Wprowadzenie

ROZDZIA 1

Strona 14141414

1.1 Klasyfikacja tokowych silnikw spalinowych

Silniki spalinowe klasyfikujemy [7] wedug rnych cech i wasnoci: 1. Wedug przeznaczenia silniki dzielimy na:

stacjonarne: stosowane w elektrowniach, stosowane do na-pdu pomp przeznaczonych do przetaczania cieczy i gazw, stosowane w gospodarstwach wiejskich itp.

transportowe przeznaczone do napdu samochodw, trakto-rw, samolotw, okrtw i statkw, lokomotyw i innych przemieszczajcych si maszyn.

2. Wedug rodzaju wykorzystywanego paliwa rozrnia si silniki pracujce na: paliwie lekkim (benzynowe i zasilane naft), cikim paliwem ciekym (mazut, olej solarowy, olej nap-

dowy), paliwie gazowym (gaz generatorowy, gaz naturalny i inne

gazy), paliwie mieszanym, gdzie podstawowym paliwem jest gaz,

za dla rozruchu silnika wykorzystuje si paliwo cieke, rnym paliwie (benzyna, nafta, olej napdowy i inne), s to

tzw. silniki wielopaliwowe.

3. Wedug sposobu przemiany energii cieplnej na mechaniczn sil-niki dzielimy na:

tokowe silniki wewntrznego spalania i silniki z tokami wi-rujcymi, w ktrych procesy reakcji chemicznej i przemiany energii cieplnej na prac mechaniczn nastpuje w prze-strzeni wewntrz cylindra (w przestrzeni nadtokowej),

WPROWADZENIE

Strona 15151515

silniki z zewntrznym doprowadzaniem ciepa. Do takich silnikw nale: turbiny gazowe, w ktrych procesy reakcji chemicznych zachodz w oddzielnej komorze spalania i gdzie tworzcy si czynnik roboczy (produkty spalania) na-pywa na opatki turbiny i wykonuje prac, silniki w ktrych ciepo do cigle wirujcego w zamknitej objtoci czynnika roboczego doprowadza si z wymiennika ciepa i t energi ciepln wykorzystuje si w cylindrze rozprajcym (silniki parowe pracujce wedug cyklu Reankinea i silniki pracu-jce wedug cyklu Stirlinga),

silniki kombinowane, w ktrych spalanie paliwa realizowane jest w silniku tokowym bdcym generatorem gazu. Praca mechaniczna czciowo wykorzystana jest w cylindrze sil-nika tokowego i czciowo na opatkach turbiny gazowej (generatory gazu ze swobodnymi tokami, silniki tokowo-turbinowe itp.).

4. Wedug sposobu tworzenia mieszanki palnej silniki dzielimy na: z zewntrznym sposobem tworzenia mieszanki palnej,

w ktrych mieszanka tworzona jest w ganiku, w mieszal-niku silnika zasilanego gazem oraz silniki z wtryskiem pali-wa do przewodu dolotowego silnika,

z wewntrznym sposobem tworzenia mieszanki palnej. W silnikach tych w czasie procesu napeniania cylindra do-pywa do niego tylko powietrze a nastpnie w kocu procesu sprania doprowadzone jest do niego paliwo i mieszanka palna tworzy si wewntrz cylindra. S to silniki o zaponie samoczynnym. Do grupy tych silnikw zalicza si take sil-niki o zaponie iskrowym i wtryskiem paliwa do cylindra oraz silniki gazowe z doprowadzeniem paliwa ciekego lub gazu do cylindra na pocztku procesu sprania,

z adunkiem uwarstwionym, w ktrych w rnych strefach komory spalania tworzy si mieszanka palna o rnym ska-dzie.

5. Wedug zaponu mieszanki palnej rozrniamy silniki: z zaponem mieszanki palnej od iskry elektrycznej (z zapo-

nem iskrowym),

ROZDZIA 1

Strona 16161616

z samozaponem mieszanki palnej (silniki o zaponie samo-czynnym, czsto zwane silnikami diesla),

z komor wstpn i zaponem pomieniowym, w ktrych mieszanka palna zapalana jest iskr w komorze spalania o niewielkiej objtoci, za dalszy proces spalania zachodzi ju w komorze podstawowej,

z zaponem gazowego paliwa od niewielkiej porcji oleju na-pdowego ulegajcej samozaponowi od procesu sprania.

6. Wedug sposobu realizacji roboczego cyklu pracy silnika dzie-limy je na: czterosuwowe bez doadowania (wolnossce dolot powie-

trza z atmosfery) i z doadowaniem (dolot powietrza do cy-lindra pod cinieniem),

dwusuwowe bez doadowania i z doadowaniem. Do doado-wania stosuje si sprark napdzan turbin wykorzystu-jc energi spalin (doadowanie turbosprark) lub spr-ark napdzan od silnika i sprarek z ktrych jedna nap-dzania jest turbin gazow za druga silnikiem.

7. Wedug sposobu regulacji mocy zwizanego ze zmian obcie-nia silnika:

z regulacj jakociow, w ktrych przy staej iloci dopro-wadzonego do cylindra powietrza zwikszamy lub zmniej-szamy ilo doprowadzanego paliwa zmieniajc w ten spo-sb skad mieszanki palnej,

z ilociow regulacj mocy, w ktrej skad mieszanki palnej pozostaje stay a zmieniana jest tylko jej ilo,

z regulacj mieszan zmiana iloci i jakoci mieszanki pal-nej.

8. Wedug konstrukcji rozrnia si silniki: Silniki tokowe, ktre z kolei dzielimy ze wzgldu na:

- usytuowanie cylindrw dzielimy na pionowe rz-dowe, poziome rzdowe, silniki V, gwiadziste i z przeciwnie usytuowanymi cylindrami,

WPROWADZENIE

Strona 17171717

- usytuowanie tokw dzielimy na jednotokowe (w kadym cylindrze jest jeden tok i jedna przestrze robocza), z przeciwnie poruszajcymi si tokami (przestrze robocza usytuowana midzy dwoma tokami poruszajcymi si w jednym cylindrze, ale w przeciwne strony), podwjnego dziaania (po obu stronach toka znajduj si przestrzenie robocze),

Silniki z wirujcymi tokami, ktre mog by trzech typw: - tok (wirnik) wykonuje planetarny ruch w korpusie, - podczas obrotu wirnika midzy nim i ciankami kor-

pusu tworzy si komora o zmiennej objtoci, w ktrej realizowany jest cykl pracy,

- korpus wykonuje ruch planetarny, za tok jest nieru-chomy.

9. Wedug sposobu chodzenia rozrnia si silniki:

z chodzeniem cieczowym,

z chodzeniem powietrzem.

W samochodach stosuje si tokowe silniki spalinowe z zaponem od iskry (ganikowe, gazowe, z wtryskiem paliwa) i z samozaponem od sprania (Diesle) oraz silniki z tokami wirujcymi.

1.2. Podstawowe wskaniki i warunki pracy silnikw samochodowych

Podstawowymi wskanikami charakteryzujcymi jako silnikw we-wntrznego spalania s:

1. Niezawodno wszystkich elementw konstrukcji silnika. 2. Stopie doskonaoci przemiany energii cieplnej na energi me-

chaniczn. Wielko ta oceniana jest sprawnoci lub jednost-

ROZDZIA 1

Strona 18181818

kowym zuyciem paliwa, ktre przedstawia ilo paliwa (w jed-nostkach masy lub objtoci) zuywanego w jednostce czasu i przypadajce na jednostk mocy silnika.

3. Moc silnika odniesiona do jednostki objtoci roboczej cylindra lub do jednostki paszczyzny przekroju toka (moc jednostkowa).

4. Masa silnika przypadajca na jednostk mocy (masa jednost-kowa) i jego wymiary gabarytowe.

5. Stopie toksycznoci i zadymienia spalin oraz poziom haasu podczas pracy silnika.

6. Prostota konstrukcji, atwo obsugi i koszty wyprodukowania silnika, jego eksploatacji i napraw.

7. Niezawodno rozruchu silnika.

8. Perspektywiczno konstrukcji umoliwiajcej realizacj jego modernizacji w celu dalszego jego wysilenia i poprawy jego wskanikw zgodnie z tendencjami rozwojowymi techniki.

Dla silnikw trakcyjnych wan ich wasnoci jest ich szybkie przysto-sowanie do pracy w zmiennych warunkach prdkociowo-obcienio-wych, ktre zale od warunkw eksploatacji. Na rys. 1.1. przedstawiono charakterystyki silnikw wewntrznego spa-lania o rnym przeznaczeniu przy ich pracy w warunkach ustalonych.

WPROWADZENIE

Strona 19191919

Rysunek 1.1. Charakterystyki silnikw rnego przeznaczenia: Ne moc efektywna silnika, n prdko obrotowa wau korbowego

silnika

Tokowy silnik spalinowy moe pokonywa obcienie poczwszy od okrelonego warunku charakteryzujcego si minimaln ustalon czstoci obrotw wau korbowego nmin. Jeli organy sterujce doprowadzeniem mieszanki palnej lub wtryskiem paliwa ustawione s na maksimum, to zaczynajc od wskazanej czstoci obrotowej wau korbowego, najwiksz moc rozwijan przez silnik przedstawia krzywa 1. Tak zmian mocy w zalenoci od prdkoci obrotowej wau korbowego nazywamy zewntrzn charakterystyk prdkociow silnika. Maksymalna moc rozwijana przez silnik jest w punkcie a, ktremu odpowiada prdko obrotowa nN.

Przy dalszym zwikszaniu prdkoci obrotowej (linia przerywana) ze wzgldu na wiele przyczyn nastpuje zmniejszenie mocy. Przy n = nmax (maksymalna prdko obrotowa biegu luzem przy regulacji ustawionej na maksimum iloci mieszanki palnej lub maksymaln dawk wtrysku) caa moc silnika zuywana jest na tarcie w mechanizmach silnika i na napd osprztu silnika. Praca silnika w tych warunkach jest niedopusz-czalna.

Granicznym prdkociowym warunkiem pracy silnika, przy ktrym sil-nik pracuje jeszcze wedug charakterystyki zewntrznej jest punkt a1 odpowiadajcy rozwijaniu przez silnik mocy nominalnej tj. Nenom przy n = nnom.

ROZDZIA 1

Strona 20202020

W zalenoci od warunkw pracy odbiornika mocy, charakteryzujcego obcienie silnika krzywa 3, nie zawsze nastpuje przecicie si tej krzywej z zewntrzn charakterystyk prdkociow gdzie Nod = Nemax, poniewa nenom nN. Linia 2 charakteryzuje prac silnika przy prawie staej prdkoci obrotowej wau korbowego (charakterystyka regulato-rowa). Punkt b charakteryzuje prac silnika bez obcienia. Praca sil-nika z zastosowaniem regulatora obrotw jest charakterystyczna dla sta-nowisk energetycznych jak rwnie dla silnikw trakcyjnych. W tych przypadkach pooenie organw sterujcych doprowadzaniem mieszanki palnej lub paliwa ulega zmianie w zalenoci od zapotrzebowania przez odbiornik mocy. Najwiksze zwikszenie prdkoci obrotowej wau korbowego silnika zaley od typu i zasady dziaania regulatora. Krzywa 3 charakteryzuje obcienie silnika obcionego napdem ruby (cha-rakterystyka rubowa). Przy obcieniu silnika rub, prdko obrotowa wau korbowego maleje ze zmniejszeniem iloci doprowadzanego pa-liwa lub mieszanki paliwowo-powietrznej. Zmiana mocy tych silnikw w funkcji prdkoci obrotowej wau korbowego opisywana jest zaleno-ci Ne = Bn3, gdzie B jest wspczynnikiem proporcjonalnoci. Wedug charakterystyki rubowej pracuj silniki lotnicze, okrtowe i inne. Na-ley pamita, e silniki stosowane do napdu pojazdw samochodo-wych pracuj w szerokim zakresie obcie i prdkoci obrotowych wau korbowego. Charakterystyczne warunki eksploatacji samochodw ciarowych w warunkach miejskich przy ich intensywnej jedzie przed-stawiono na rysunku 1.2.

Dowiadczalnie stwierdzono do ostre wahania prdkoci jazdy V (krzywa 1) i prdkoci obrotowej wau korbowego silnika (krzywa 2), przy czym przez duszy czas silnik pracowa przy okoo czterdziesto-procentowym otwarciu przepustnicy (krzywa 3). Z przedstawionego powyej wykresu wynika, e waciwoci eksplo-atacji silnika samochodowego jest czsta, a w niektrych przypadkach do ostra zmiana prdkociowych i obcieniowych warunkw jego pracy. Zmian mocy i prdkociowych warunkw pracy silnika samo-chodowego przedstawia zakreskowany obszar na rys. 1.1, ktry ograni-czony jest zewntrzn charakterystyk prdkociow i gazi charakte-rystyki regulatorowej.

WPROWADZENIE

Strona 21212121

Rysunek 1.2. Charakterystyczne warunki pracy silnika samochodu ciarowego poruszajcego si w miecie

ROZDZIA 1

Strona 22222222

2 Termodynamiczne cykle pracy tokowych silnikw spalinowych

ROZDZIA 2

Strona 24242424

2.1. Wiadomoci oglne

Najbardziej charakterystyczn cech tokowego silnika spalinowego nie-zalenie od stosowanego mechanizmu tokowo-korbowego zamieniaj-cego posuwisty ruch toka na ruch obrotowy wau korbowego, jest cy-kliczna zmiana objtoci przestrzeni roboczej. Dlatego te parametry stanu czynnika roboczego, w kadym punkcie wykresw indykatoro-wych przed-stawiajcych cykl pracy silnika odnoszone s do pooenia toka w cylindrze. W teorii tokowych silnikw spalinowych rozrnia si: cykle teoretyczne, cykle porwnawcze i rzeczywiste cykle pracy.

Teoretyczny, wzorcowy cykl pracy tokowego silnika spalinowego, przedstawiony w ukadzie pracy p i ciepa T s jest to cykl koowy realizowany zgodnie z ruchem wskazwek zegara i skadajcy si z qu-asi-statycznych, odwracalnych przemian czynnika roboczego.

Wszystkie procesy termodynamiczne rzeczywistego cyklu pracy silnika s procesami nieodwracalnymi. Nieodwracalno procesw zachodz-cych w cylindrze wolnosscych i doadowanych silnikw spalinowych powoduje na przykad wymiana ciepa midzy czynnikiem roboczym i ciankami ograniczajcymi przestrze cylindra. Nieodwracalno pro-cesw wymiany czynnika roboczego zwizana jest z istnieniem tarcia w strumieniach gazu na pokonanie, ktrego tracona jest praca. Straty tarcia wystpuj take podczas rzeczywistego procesu rozprania w turbinie i procesu sprania w sprarce ukadu turbodoadowujcego. Wyej wskazana nieodwracalno procesw powoduje zmniejszenie efektyw-noci przemiany doprowadzonego ciepa na prac mechaniczn.

Analiza efektywnoci cykli pracy tokowych silnikw spalinowych doty-czy rozwizania dwch zada:

okrelenia, od jakich czynnikw zaley sprawno odwracal-nego termodynamicznego cyklu i jak powinny przebiega te procesy, aby jego sprawno osigaa najwiksze wartoci przy konkretnych warunkach ograniczajcych,

wyznaczenia stopnia nieodwracalnoci procesw cyklu rze-czywistego i okrelenia, ktre procesy naley doskonali w celu zmniejszenia nieodwracalnych strat i zwikszenia sprawnoci.

TERMODYNAMICZNE CYKLE PRACY TOKOWYCH SILNIKW SPALINOWYCH

Strona 25252525

Podstawowym wskanikiem oceniajcym termodynamiczn efektyw-no odwracalnego cyklu pracy silnika jest jego sprawno teoretyczna:

1

tt Q

L = lub

1

tt q

l = (1.1)

Prac teoretyczn odwracalnego cyklu mona wyznaczy cakujc rwnanie pierwszej zasady termodynamiki dla zamknitego cyklu pracy:

+= dLdUdQ (2.2)

Poniewa energia wewntrzna U jest funkcj parametrw stanu, zatem 0dU = . Tak, wic praca teoretycznego cyklu pracy jest rwnowana

ciepu doprowadzonemu do czynnika roboczego w czasie cyklu, ktre jest rwne rnicy ciepa doprowadzonego do cyklu i ciepa odprowadzonego z cyklu, tzn.:

21t QQL = lub 21t qql = (2.3) Podstawiajc (1.3) do (1.1) otrzymuje si:

1

2t Q

Q1 =

lub 1

2t q

q1 =

(2.4)

Stopie doskonaoci rzeczywistych nieodwracalnych cykli cha-rakteryzuje sprawno indykowana cyklu pracy silnika:

1

ii Q

L= lub

1

ii q

l= (2.5)

gdzie: 21i QQL = za 21i qql = . Podstawiajc te zalenoci do wzoru (2.5) stosowanego do obliczania sprawnoci indykowanej otrzymuje si:

1

2i Q

Q1 = lub

1qq

1 2i = (2.5a)

Techniczno-ekonomiczne wskaniki pracy silnika okrelaj nie tylko zu-ycie paliwa, ktre zaley nie tylko od sprawnoci cyklu, ale take od

ROZDZIA 2

Strona 26262626

wymiarw gabarytowych i masy silnika. Jednym z istotnych techniczno-ekonomicznych wskanikw pracy silnika jest rednie cinienie teore-tyczne cyklu:

s

tt V

Lp = lub s

v

tt

lp = (2.6)

gdzie: minmaxs VVV = , za sv jest redni objtoci waciw czynnika roboczego w czasie cyklu pracy silnika.

rednie cinienie teoretycznego cyklu pracy silnika jest to takie umowne stae cinie-nie, ktre dziaajc na tok w czasie jednego suwu wykona prac rwn pracy teoretycznego cyklu pracy silnika.

rednie cinienie rzeczywistego cyklu pracy silnika nazywamy rednim cinieniem indykowanym:

s

ii V

Lp = lub s

ii

v

lp = (2.7)

Podstawiajc wielkoci Lt i lt wyznaczone z rwna (2.1) do zalenoci (2.6) przyjmuj one posta:

s

t1t V

Qp = lub

s

t1t

v

qp = (2.8)

Warto jednostkowego ciepa q1 zaley od skadu chemicznego paliwa i wartoci jego ciepa spalania, sposobu tworzenia mieszanki palnej, doskonaoci procesu spalania itp.

Teoretyczne cykle pracy silnikw spalinowych stwarzaj moliwoci po-rwnywania rzeczywistych przemian zachodzcych w cylindrze silnika z przemianami termodynamicznymi tworzcymi model rzeczywistego cy-klu pracy silnika. Umoliwiaj one formuowanie wnioskw dotycz-cych sprawnoci teoretycznej, jednostkowego zuycia paliwa i redniego cinienia teoretycznego cyklu oraz maksymalnej wartoci cinienia i temperatury cyklu, jak rwnie stwarzaj moliwoci wyznaczania in-nych parametrw i wskanikw pracy silnika, przy zaoonych wielko-ciach charakterystycznych.

Teoretyczne cykle pracy silnikw wewntrznego spalania sporzdza si przy nastpujcych zaoeniach:

TERMODYNAMICZNE CYKLE PRACY TOKOWYCH SILNIKW SPALINOWYCH

Strona 27272727

czynnikiem roboczym (termodynamicznym) jest gaz dosko-nay,

ilo czynnika roboczego realizujcego cykl pracy jest staa i jednakowa we wszystkich tworzcych go przemianach,

zaniedbuje si zmian ciepe waciwych czynnika robo-czego, lub te uwzgldnia si te zmiany w zalenoci od temperatury i skadu mieszaniny gazw,

doprowadzenie ciepa do czynnika roboczego realizowane jest, jako przekazywanie ciepa przez gorce rdo ciepa i moe zachodzi: izochorycznie, izobarycznie i izotermicznie lub za pomoc ich kombinacji,

proces wymiany czynnika roboczego zamienia si procesem odwracalnym z odprowadzeniem ciepa do zimnego rda ciepa, ktre moe zachodzi izochorycznie, izobarycznie lub izochoryczno-izobarycznie,

procesy sprania (kompresji) i rozprania (ekspansji) za-chodz adiabatycznie,

przemiany termodynamiczne cyklu pracy silnika s odwra-calne i zachodz nie-skoczenie wolno (quasi-statycznie), wobec czego prdkoci czynnika roboczego s rwne zeru i nie wystpuj straty przepywu, a caa jego ilo znajdujca si w przestrzeni roboczej pozostaje w jednakowym stanie termodynamicznym.

Warunki uzyskania najwikszej pracy dowolnego, koowego cyklu pracy silnika, ktre rwnoczenie s warunkami wysokiej sprawnoci cieplnej cyklu, przedstawione s w pod-rcznikach akademickich dotyczcych termodynamiki technicznej i tokowych silnikw spalinowych [3,4,5,6,7,8,10,11]. Teoretycznym cyklem pracy silnika o najwikszej sprawnoci jest cykl Carnotea skadajcy si z dwch izentrop (kompre-sji i ekspansji) oraz dwch izoterm (doprowadzenie i odprowadzenie ciepa). Cykl ten nie ma jednak zastosowania, jako teoretyczny cykl pracy tokowego silnika spalinowego, poniewa proces kompresji, ktry czyby jednoczenie izotermy np.: przy T=290 K i przy T=2900 K bez przekroczenia wartoci pmax jest niemoliwy do zrealizowania [2,14].

ROZDZIA 2

Strona 28282828

2.2. Uoglniony cykl pracy czterosuwowego tokowego silnika spalinowego

Uoglniony teoretyczny cykl pracy silnika przedstawiony na rys. 2.1. jest modelem, ktry zawiera w sobie niemale wszystkie teoretyczne sil-nikowe cykle pracy tokowych silnikw wewntrznego spalania oma-wiane w teorii tokowych silnikw spalinowych.

Rysunek 2.1. Uoglniony termodynamiczny cykl pracy czterosuwowego tokowego silnika spalinowego we wsprzdnych vp i sT

Przedstawiony na rys. 2.1. wykres we wsprzdnych p - v i T - s przedstawia oglny przypadek realizacji termodynamicznego cy-klu pracy czterosuwowego tokowego silnika spalinowego, reali-zowany przez 1 kg czynnika roboczego. W cyklu tym proces kom-presji (linia ac) i ekspansji (linia zb) zachodzi bez wymiany ciepa z otoczeniem (dq=0). Ciepo 'q1 doprowadzane jest przy nie-

TERMODYNAMICZNE CYKLE PRACY TOKOWYCH SILNIKW SPALINOWYCH

Strona 29292929

zmiennej objtoci, ciepo ''q1 doprowadzane jest przy niezmien-nym cinieniu, za ciepo '''q1 doprowadzane jest izotermicznie, tzn. przy niezmiennej temperaturze. Odprowadzane ciepo z cyklu

2q jest sum ciepa 'q2 odprowadzonego przy niezmiennej objto-ci i ciepa "q2 odprowadzonego przy niezmiennym cinieniu.

Cakowita ilo ciepa doprowadzonego do cyklu realizowanego przez 1 kg czynnika roboczego (adunku) wynosi:

''z

zz'z''zpc'zv1111 V

VlnRT)TT(c)TT(c'''q''q'qq ++=++= (2.9)

Na rys. 2.1. we wsprzdnych T - s ciepo to przedstawia pole paszczyzny 'zbb''z'acz'a .

Ilo ciepa odprowadzonego z cyklu wynosi

)TT(c)TT(c"q'qq adpdbv222 +=+= (2.10)

Na wykresie T - s to wyprowadzone ciepo przedstawia pole paszczyzny 'adbb'a . Sprawno teoretyczna rozwaanego cyklu

termodynamicznego (wzr 2.4) ma posta:

'z'

z

zz''z'pcz'v

adpdbv

1

2t

v

vlnRT)T(Tc)T(Tc)T(Tc)T(Tc

1qq

1++

+== (2.11)

Wprowadmy oznaczenia nastpujcych wielkoci bezwymiarowych:

v

p

c

c= wykadnik izentropy (adiabaty),

c

as V

V= efektywny stopie kompresji,

c

d

c

bVV

VV

== geometryczny stopie kompresji,

ROZDZIA 2

Strona 30303030

c

''z

c

'zp p

ppp

== stopie wzrostu cinienia podczas izochorycznego

doprowadzania ciepa,

c

''z

'z

''zp V

VVV

== stopie ekspansji podczas izobarycznego dopro-

wadzania ciepa,

''z

zT V

V= stopie ekspansji podczas izotermicznego doprowadzania

ciepa,

z

b

VV

= stopie kolejnego procesu ekspansji,

a

b

a

dVV

VV

' == stopie wstpnej kompresji podczas izobarycznego

odprowadzania ciepa.

Dla tak przyjtych oznacze prawdziwy jest zwizek: == Tps '

Temperatury wchodzce do wzoru (2.11) wyrazi mona za pomoc temperatury pocztku procesu kompresji Ta oraz wprowadzony powyej oznacze. W tym celu naley wykorzysta rwnania poszczeglnych procesw skadowych cyklu pracy przedstawionego na rys. 2.1.

Przemiana a c:

1cc

1aa VTVT

= std

1

c

aac V

VTT

=

czyli: 1sac TT=

Przemiana 'zc :

c

'zc'z p

pTT =

TERMODYNAMICZNE CYKLE PRACY TOKOWYCH SILNIKW SPALINOWYCH

Strona 31313131

czyli: pc'z TT =

a zatem p1

sa'z TT =

Przemiana ''z'z :

pz'z'

'z'

z''z'T

VVTT ==

czyli: pp1

sa''z TT =

Przemiana z''z :

''zz TT =

czyli: 1sppaz TT=

Przemiana z b:

1z

1

b

z

zb

TVVTT

=

=

czyli: 1

1sppa

bT

T

=

Przemiana d a:

'TVVTT a

a

dad ==

gdzie: a

d

VV

'=

Podstawiajc wyej wyznaczone zalenoci temperatur w charak-terystycznych punktach cyklu od wartoci do wzoru (2.11) i dokonu-jc przeksztace otrzymano:

ROZDZIA 2

Strona 32323232

( )( )( )[ ]{ }1ln11

'1'1

Tppp1

s

1

1spp

t+

+

=

(2.12)

Ze wzgldu na coraz szersze stosowanie wieloetapowego wtrysku paliwa we wspczesnych tokowych silnikach spalinowych, naley stwierdzi, e celem takiej realizacji wtrysku paliwa jest poprawa wskanikw pracy silnika w rnych warunkach eksploatacji, a przede wszystkim zmniejszenie emisji szkodliwych skadnikw i haasu emitowanego przez silniki. Paliwo doprowadzone do cylindra zarwno w postaci przed - jak i powtryskw powoduje, e zarwno proces kompresji czynnika roboczego jak i proces jego ekspansji realizowane s przy istnieniu rde i upustw energii cieplnej. Pod pojciem rda ciepa rozumie si tu energi wydzielon podczas reakcji egzotermicznych paliwa doprowadzonego do cylindra, natomiast upust energii cieplnej rozumiany jest, jako ilo ciepa odbierana od czynnika roboczego i zuywana na podgrzewanie a nastpnie odparowanie kropel rozpylonego paliwa i przegrzanie par paliwa.

Istnienie rde i upustw energii cieplnej podczas procesw kompresji i ekspansji powoduje, e procesy te nie zachodz adiabatycznie, a s to przemiany politropowe zachodzce przy staych rednich wartociach wykadnika politropy, ktre mona wyznaczy w oparciu o rzeczywisty wykres indykatorowy. Naley tu jeszcze zaznaczy, e rdem ciepa podczas procesu ekspansji jest proces dopalania niespalonych w sposb peny reagentw biorcych udzia w reakcjach utleniania zachodzcych podczas procesu spalania.

Stosujc tak sam metod wyprowadzania wzoru na sprawno teore-tyczn, jak zastosowano przy wyprowadzaniu wzoru (2.12) oraz zakadajc, e proces kompresji i ekspansji zachodz politropowo o wy-kadnikach: kompresji o wykadniku n1 i ekspansji o wykadniku n2, przy czym n1 n2, otrzymuje si wzr na sprawno teoretyczn w postaci:

( )( )( )[ ]{ }1ln11

'1

1Tppp

1ns

1n

1nspp

t 1

2

1

+

+=

(2.13)

Ze wzoru (2.13) wynika, e:

( )21Tppstt n,n ,,,,,,, =

TERMODYNAMICZNE CYKLE PRACY TOKOWYCH SILNIKW SPALINOWYCH

Strona 33333333

Dla adiabatycznego procesu kompresji i ekspansji do wzoru (2.13) naley podstawi nn 21 == .

Ze wzorw (2.12) i (2.13) wynika, e teoretyczna sprawno uoglnio-nego cyklu pracy silnika zaley od parametrw konstrukcyjnych silnika wyraonych wielkoci , waciwoci paliwa zasilajcego silnik i wpy-wajcych na warto wykadnika izentropy oraz organizacji realizacji cyklu okrelonej wielkociami: ',,,, iTpp . Wzr ten jest praw-dziwy dla wszystkich stosowanych w teorii silnikw spalinowych cykli pracy.

Rozwamy cykl pracy silnika przy doprowadzaniu jak i odprowadzaniu ciepa realizowanych w sposb mieszany to znaczy podczas przemiany izochorycznej i izobarycznej. Ilustracj graficzn takiego cyklu przed-stawia rys. 2.2.

Dla cyklu pracy przedstawionego na rys. 2.2. wielko T = 1. Ponadto

z zalenoci ' Tps == wynika, e '

ps= . Podstawiajc

wskazane wielkoci do wzoru (2.12) otrzymuje si:

( )( )[ ]11

'1''

1ppp

1s

1p

pp

t+

+

=

(2.14)

rednie cinienie teoretycznego cyklu pracy silnika, zgodnie z definicj jest:

s

tt V

Lp = lub s

tt

v

lp = (2.15)

gdzie: stt VpL = i stt vpl = .

Uwzgldniajc, e:

)]1(1[Tcq pp1av1 s += (2.16)

oraz:

ROZDZIA 2

Strona 34343434

1)VV(VVVV

c

dccds ==

to znaczy:

1)'(

V1)'(VV ss

ascs == (2.17)

Rysunek 2.2. Termodynamiczny cykl pracy tokowego czterosuwowego silnika spalinowego we wsprzdnych p v i T s przy izochoryczno-

izobarycznym doprowadzaniu i odprowadzaniu ciepa

Podstawiajc do wzoru (2.15) warto 1tt ql = oraz zalenoci (2.16) i (2.17) otrzymano:

tpppsa

s1

savt )]1(1[)1'(v

Tcp +

=

(2.18)

Poniewa

1R

cv

=

i a

aa

v

RTp =

zatem ostatecznie otrzymuje si:

TERMODYNAMICZNE CYKLE PRACY TOKOWYCH SILNIKW SPALINOWYCH

Strona 35353535

tppps

sat )]1(1[1'1

pp +

=

(2.19)

W teorii silnikw spalinowych wyrnia si trzy szczeglne przypadki, ktre wynikaj z uoglnionego, teoretycznego cyklu pracy, tj. cykl Otto, cykl Diesla i cykl z mieszanym doprowadzeniem ciepa tzw. cykl Sabathea.

2.3. Cykl z doprowadzeniem ciepa przy staej objtoci tzw. cykl Otto

Cykl pracy silnika realizowany przez 1 kg czynnika roboczego z izocho-rycznym doprowadzeniem i odprowadzeniem ciepa we wsprzdnych p v i T s przedstawia rys. 2.3.

Rysunek 2.3. Cykl pracy tokowego silnika spalinowego z doprowadzeniem ciepa przy V = idem: 1 i 2 osie wykorbienia przy

pooeniu toka w GZP i DZP

ROZDZIA 2

Strona 36363636

Cykl ten rni si od cyklu przedstawionego na rys. 2.1. tym, e brak w nim procesw oznaczonych przemianami ''z'z , z''z i da. Dlatego dla tego cyklu mamy: 1p = , 1T = , =s i 1'= . Podstawiajc te wartoci do wzorw (2.12) i (2.18) otrzymuje si nastpujce wzory:

1t11

= (2.20)

tpa

t )1(11pp

=

(2.21)

2.4. Cykl z doprowadzeniem ciepa przy staym cinieniu tzw. cykl Diesla

Cykl ten przedstawiony na rys. 2.4. czsto stosowany jest, jako model cyklu pracy wolnobienych silnikw o zaponie samoczynnym.

Rysunek 2.4. Cykl pracy tokowego silnika spalinowego z doprowadzeniem ciepa przy p = idem

TERMODYNAMICZNE CYKLE PRACY TOKOWYCH SILNIKW SPALINOWYCH

Strona 37373737

W cyklu tym ciepo doprowadzone jest przy p = idem, za ciepo odprowadzone dokonywane jest przy V = idem. Dla tego cyklu mamy: p=1, 1T = , =s i 1'= . Podstawiajc te wartoci do wzorw (2.12) i (2.18) otrzymuje si:

)1(111

p

p1t

=

(2.22)

tpa

t )1(11pp

=

(2.23)

2.5. Cykl z mieszanym doprowadzeniem ciepa tzw. cykl Sabathea

Rysunek 2.5. Cykl tokowego silnika spalinowego z mieszanym doprowadzeniem ciepa

Powyszy teoretyczny cykl realizowany przez 1 kg czynnika roboczego we wsprzdnych p v i T s, w ktrych cz ciepa Q1' doprowa-

ROZDZIA 2

Strona 38383838

dzone jest przy staej objtoci, a cz Q1 przy staym cinieniu, za ciepo odprowadzone Q2 odprowadzane jest przy staej objtoci przed-stawiono na rys. 2.5.

Cykl ten rni si od cyklu uoglnionego tym, e ciepo Q2 odprowa-dzane jest przy staej objtoci. Brak jest w nim odprowadzania ciepa Q2 przy staym cinieniu. Dla tego cyklu 1T = , =s i 1'= . Pod-stawiajc te wartoci do wzorw (2.12) i (2.18) otrzymuje si:

)1(1111

ppp

pp1t

+

=

(2.24)

tpppa

t )]1(1[11pp +

=

(2.25)

Analiz wpywu rnych czynnikw na sprawno i rednie cinienie teoretyczne cyklu pracy silnika spalinowego dla cykli przedstawionych w podrozdziaach (2.3; 2.4; 2.5) mona znale w pracy [3].

2.6. Teoretyczne cykle pracy doadowanych tokowych silnikw spalinowych

W odrnieniu od uoglnionego cyklu pracy przedstawionego na rys. 2.1. rozpatrzono przypadek, kiedy ciepo odprowadzane jest przy niezmiennym cinieniu (linia fl na rys. 2.6.). Zakreskowana paszczyzna bfla wykresu we wsprzdnych p v i T s przedstawia dodatkowo otrzyman prac przy tej samej iloci dopro-wadzonego ciepa. Ta dodatkowa praca uzyskana jest w wyniku znacz-nego zwikszenia objtoci podczas procesu rozprania (ekspansji). Na skutek tego cinienie 'pt odniesione do objtoci Vf - Vc (Vmax-Vmin) b-dzie istotnie mniejsze w porwnanie z tym cinieniem, ktre mona otrzyma w cyklu z mieszanym doprowadzeniem i odprowadzeniem ciepa przy V=idem.

TERMODYNAMICZNE CYKLE PRACY TOKOWYCH SILNIKW SPALINOWYCH

Strona 39393939

Rysunek 2.6. Cykl z mieszanym doprowadzeniem ciepa, wyduonym rozpreniem i zmiennym cinieniu gazw przed turbin oraz

odprowadzeniem ciepa przy p = idem

W rzeczywicie realizowanym cyklu pracy silnika do odbiornika przeka-zywana jest nie caa ilo energii mechanicznej. Cz tej energii tracona jest na tarcie we wsppracujcych i poruszajcych si elementach oraz na napd mechanizmw wspomagajcych. W przypadku cyklu z wydu-onym procesem ekspansji, na skutek zwikszenia objtoci, istotnie wzrastaj straty na tarcie, ktre nie s kompensowane przez dodatkowo otrzyman prac.

Duy efekt w rzeczywistym silniku spalinowym, w ktrym w czasie re-alizacji cyklu nastpuje zmiana czynnika roboczego, osiga si jeli pro-ces wyduonej ekspansji zachodzi na opatkach turbiny gazowej (linia bf) poczonej ze sprark. Zassane sprark powietrze atmosfe-ryczne sprane jest do cinienia pa > po (linia la) i doprowadzane do cylindra silnika spalinowego. Poniewa wwczas cinienie pocztkowe w cylindrze pa bdzie wysze od cinienia atmosferycznego, to jednost-kowa praca w cylindrze bdzie wiksza (patrz rwnanie 2.19). Przy ta-kim sposobie realizacji procesu straty mechaniczne w turbosprarce bd istotnie mniejsze ni w silniku z wyduon ekspansj i wynikowa sprawno bdzie wiksza.

ROZDZIA 2

Strona 40404040

Sposb zwikszania pracy jednostkowej drog wstpnego spra-nia powietrza (lub mieszanki paliwowo-powietrznej) w sprarce i doprowadzeniu go do silnika nazywamy doadowaniem. Rozpa-trywany cykl jest szczeglnym przypadkiem cyklu silnika doado-wanego. Sprark napdza mona take za pomoc wau korbo-wego (napd mechaniczny), ale wtedy cz mocy rozwijanej przez silnik zuywana jest na wykonanie pracy sprania w spr-arce. Bardziej celowe jest wykorzystanie do tego celu (w pierw-szej kolejnoci) turbodoadowania, podczas ktrego wykorzystuje si energi spalin wydalanych z cylindra. Cykl pracy silnika z do-adowaniem s szeroko wykorzystywane w silnikach o zaponie samoczynnym. Rozpatrzmy cykl realizowany w turbinie gazowej, ze wstpn kompresj czynnika roboczego w sprarce (linia la). Oznaczmy stopie kompresji w sprarce

a

lspr V

V= , wtedy cako-

wity stopie kompresji jest:

c

l

c

a

a

lspro V

VVV

VV

=== (2.26)

W rozpatrywanym cyklu:

1o

1pppa

1z

lf )'()(T

)'(T

'TT

=

==

gdzie:

p

o

Z

f '

VV

'

==

Poniewa:

1spr

al

TT

=

to:

TERMODYNAMICZNE CYKLE PRACY TOKOWYCH SILNIKW SPALINOWYCH

Strona 41414141

1o

1pppa

1spr

af )'(

)(T'

TT

=

=

skd:

1p

p )'()(

'

=

lub 1'

pp =

Podstawiajc 1'

pp =

do rwnania (2.14) i uwzgldniajc, e

= spro , otrzymano:

)1(11'1

ppp1

o

t+

=

(2.27)

Zasadne jest, aby odnie jednostkow prac cyklu z turbodoadowaniem do objtoci cylindra silnika (rys. 2.6.). W tym przypadku pt oblicza si wedug wzoru (2.25). Rozwamy cykl z wyduon ekspansj oraz z doprowadzeniem ciepa przy V = idem i p = 1. Taki cykl jest modelem termodynamicznym tur-bodoadowanego silnika z zaponem iskrowym. W tym przypadku:

11'1

p1

o

t

=

(2.28)

Jeli w takim cyklu ciepo doprowadzone jest przy p = idem (cykl Braytona), to p = 1 i p = '. Wtedy z rwnania (2.27) wynika, e:

1o

t

11

= (2.29)

Wedug takiego cyklu pracuj turbiny gazowe, w ktrych spalanie pa-liwa w komorze spalania zachodzi przy staym cinieniu. Na rys. 2.7. pokazano cykl pracy silnika z turbodoadowaniem, w ktrym cinienie przed turbin (linia ar) jest rwne cinieniu koca procesu sprania w sprarce. Ciepo 'Q2 w realizowanym cyklu silnika odprowadzone jest przy staej objtoci (proces ba). Ciepo to doprowadzone jest do tur-biny gazowej przy p=idem (linia ar).

ROZDZIA 2

Strona 42424242

Rysunek 2.7. Cykl z mieszanym doprowadzeniem ciepa, z wyduon ekspansj i staym cinieniem gazw przed turbin

oraz odprowadzeniem ciepa przy p = idem

Wykorzystujc wzr na sprawno ciepln dowolnego cyklu silniko-wego mamy:

)(1QQ' t12 = Dla cyklu acz'zb z mieszanym doprowadzeniem ciepa jest:

1)(11

1QQ'ppp

pp

112+

=

(2.30)

Sprawno cyklu arfl wyznaczon wedug wzoru (2.29) okrela zale-no:

2

21

sprspr Q'

Q1

11 ==

TERMODYNAMICZNE CYKLE PRACY TOKOWYCH SILNIKW SPALINOWYCH

Strona 43434343

skd: 1spr

2spr22

Q')(1Q'Q

==

Podstawiajc do tej zalenoci w miejsce 'Q2 warto obliczon wedug rwnania (2.30), otrzymano:

1)(11

1QQ

ppp

pp

1o1

2

+

=

(2.31)

Wwczas sprawno cieplna caego cyklu pracy jest:

1)(11

11QQ

1ppp

pp

1o1

2t

+

==

(2.32)

rednie cinienie teoretycznego cyklu, odniesione do objtoci cylindra silnika okrela zaleno:

[ ] tpppoat )1(111pp +

=

(3.33)

Z porwnania wzorw (2.32) i (2.24) wynika, e jeli = o, to spraw-no rozpatrywanego cyklu i cyklu z mieszanym doprowadzeniem ciepa s sobie rwne. Porwnanie t dwch rozpatrywanych cykli silnikw z turbodoadowaniem pokazuje, e wykorzystanie ciepa w cyklu, w kt-rym w turbinie gazowej wykonywana jest caa praca wyduonego pro-cesu ekspansji charakteryzowana krzyw ,,bf (rys.2.6.) bdzie wiksza ni w drugim cyklu (rys.2.7). Jednak realizowanie takiego cyklu z doa-dowaniem pulsacyjnym zwizane jest z koniecznoci organizacji pro-cesu wydalania spalin z cylindra i doprowadzeniem ich do turbiny ga-zowej, co komplikuje konstrukcj silnika. W przypadku kiedy wstpne spranie w sprarce prowadzi do cinie-nia za sprark, ktre jest wicej ni dwukrotnie wysze od cinienia atmosferycznego, to naley realizowa chodzenie powietrza przy staym cinieniu. W wyniku takiego chodzenia nastpuje zwikszenie gstoci adunku napywajcego do cylindra i zmniejszenie pracy sprania oraz obserwuje si znaczny wzrost cinienia pt przy nieznacznym zmniejsze-niu sprawnoci tego cyklu.

ROZDZIA 2

Strona 44444444

2.7. Podstawy dwusuwowych silnikw spalinowych

Zasadnicz rnic pomidzy silnikami dwu - i czterosuwowymi jest ilo suww toka przypadajca na realizacj jednego penego cyklu pracy. Cykl pracy kadego tokowego silnika spalinowego obejmuje: proces ssania (ekspansji), sprania (kompresji), pracy i wydechu spalin. W silniku dwusuwowym nie s jednak realizowane cztery pene suwy, tak jak to jest w silnikach czterosuwowych. W silniku dwusuwowym wyrnia si:

1. Suw sprania (kompresji). Podczas tego suwu tok porusza si w kierunku GZP. Spa-liny z poprzedniego cyklu pracy wylatuj z cylindra przez kanay wylotowe. S one wypychane przez wlatujc kanaami przepukujcymi wie mieszank paln. Nastpnie okna przepukujce i wylotowe lub zawory zamykaj si, a pozostajca w cy-lindrze mieszanka palna ulega spraniu i zaponowi (rys.2.8a).

2. Suw pracy. Gwatownie rozprajcy si czynnik roboczy po-wstajcy w wyniku spalania mieszanki palnej powoduje ruch toka w kierunku DZP (rys.2.8b) wytwarzajc moment obrotowy wau korbowego. Najpierw otwiera si kana wylotowy, przez ktry zaczynaj wypywa spaliny i po pewnym czasie zostaje odsonity kana przepukujcy, przez ktry do cylindra napywa porcja wieej mieszanki palnej. Napyw tej mieszanki wspo-maga usuwanie spalin z cylindra (rys.2.8c).

Brak oddzielnych suww ssania i wydechu wymusza stosowanie w tych silnikach pompy przepukujcej. W niektrych silnikach samochodo-wych, motocyklowych i jeszcze mniejszych, w ktrych istotnym jest warunek prostoty i niewielkich wymiarw gabarytowych, rol pompy przepukujcej peni przestrze cylindra znajdujca si pod denkiem toka wraz ze skrzyni korbow, tak jak to pokazano na rysunku na rys. 2.8. Tok poruszajcy si w kierunku GZP, odsania znajdujce si w cylindrze okna dolotowe i zasysa przez nie wiey adunek do cylindra. Taki rozrzd nazywamy rozrzdem tokowo-szczelinowym. Naley za-znaczy, e takie rozwizanie konstrukcyjne posiada istotne wady. Sma-rowanie silnika odbywa si poprzez dozowanie oleju smarujcego do

TERMODYNAMICZNE CYKLE PRACY TOKOWYCH SILNIKW SPALINOWYCH

Strona 45454545

ukadu dolotowego lub do paliwa zasilajcego silnik. Zastosowany do smarowania silnika olej ulega czciowemu spalaniu w cylindrze two-rzc nagar i czciowo przedostaje si do ukadu wydechowego powo-dujc wzrost stenia wglowodorw w spalinach. Ilo czynnika robo-czego doprowadzanego do cylindra ogranicza wielko skoku i rednicy cylindra. Jako procesu wymiany adunku w cylindrze w duym stopniu zaley od zjawisk falowych zachodzcych w ukadach wymiany czyn-nika roboczego i w samym cylindrze. Aby w duych silnikach o zaponie samoczynnym zastosowa oddzielne ukady smarowania, czsto buduje si je jako tzw. silniki wodzikowe w ktrych rol pompy przepukujcej spenia objto cylindra pod denkiem toka, ktra jest oddzielona od skrzyni korbowej. Jednak takie rozwizanie powoduje zwikszenie wy-sokoci silnika. Zamiennie w ukadzie dolotowym stosuje si czsto do-datkow, mechanicznie napdzan pomp przepukujc, np. sprark Rootsa, patrz rys. 2.9.

Rysunek 2.8. Zasada dziaania silnika dwusuwowego o ZI i wstpnym spraniu adunku w skrzy-ni korbowej: a) tok spra mieszank w cylindrze i jednoczenie zasysa wie mieszank do skrzyni

korbowej, b) rozprajcy si czynnik roboczy powoduje ruch toka w kierunku DZP i nastpuje wstpne spranie mieszanki palnej

w skrzyni korbowej, c) wiea mieszanka pal-na wspomaga usuwanie spalin z cylindra

W silnikach wykorzystujcych zewntrzn pomp przepukujc nie wyrnia si okien i kanaw przepukujcych, a jedynie okna i kanay dolotowe i wylotowe.

ROZDZIA 2

Strona 46464646

Rysunek 2.9. Zasada dziaania silnika dwusuwowego o zaponie samoczynnym ze wstpnym spraniem adunku za pomoc sprarki Rootsa: a) tok spra powietrze w cylindrze, za pompa przepukujca wstpnie spra powietrze przed oknami dolotowymi, b) wtrysk paliwa i pocztek suwu pracy, c) koniec suwu pracy, otwarcie grzybkowego

zaworu wylotowego, d) napyw wieego adunku do cylindra wspomagajcy usuwanie spalin z cylindra

2.7.1. Cykl pracy dwusuwowego silnika spalinowego

Cykl pracy tego silnika podobnie jak silnikw czterosuwowych definiuje si jako kompleks okresowo powtarzajcych si procesw termodyna-micznych realizowanych w celu przemiany chemicznej energii paliwa na prac mechaniczn. Teoretyczny cykl pracy tokowego silnika spali-nowego, to koowy cykl realizowany zgodnie z ruchem wskazwek ze-gara i skadajcy si z quasi-stacjonarnych, odwracalnych przemian czynnika roboczego (termodynamicznego). Umoliwia on porwnanie

TERMODYNAMICZNE CYKLE PRACY TOKOWYCH SILNIKW SPALINOWYCH

Strona 47474747

rzeczywistych przemian zachodzcych w silniku z przemianami termo-dynamicznymi tworzcymi model rzeczywistego cyklu pracy silnika [3]. Na rys. 2.10 przedstawiono teoretyczny i rzeczywisty cykl pracy silnika dwusuwowego.

Rysunek 2.10. Cykl pracy tokowego silnika dwusuwowego: a) teoretyczny cykl pracy z miesza-nym doprowadzaniem ciepa,

b) rzeczywisty cykl pracy silnika dwusuwowego o zaponie iskrowym Cykl pracy silnika dwusuwowego realizowany jest w czasie jednego ob-rotu wau korbowego. Na rys. 2.10 przedstawiono teoretyczny i rzeczy-wisty cykl pracy silnika dwusuwowego z mieszanym doprowadzeniem ciepa, uwzgldniajcy proces wymiany czynnika roboczego w cylin-drze. Proces wymiany czynnika roboczego zachodzi podczas ruchu toka w pobliu DZP w krtkim, krtszym ni w silniku czterosuwowym cza-sie (120150 OWK w silniku dwusuwowym wobec 400450 OWK w silniku czterosuwowym). Proces napeniania cylindra zachodzi na skutek rnicy cinie w ukadzie dolotowym i w cylindrze.

W silnikach dwusuwowych stosuje si pojcie objtoci traconej Vt, ktra odpowiada czci suwu toka podczas ktrej zachodzi wymiana czynnika roboczego. Spranie wieego adunku nastpuje podczas zmiany efektywnej objtoci cylindra Ve, ktra jest rwna Ve = Vs - Vt. Stosunek str

s

t VV

= nazywamy wspczynnikiem strat ob-

ROZDZIA 2

Strona 48484848

jtoci skokowej cylindra wynikajcych z realizacji procesu wymiany czynnika roboczego. Wielko tego wspczynnika zaley od sposobu przepukania cylindra i wynosi str = 0,1 0,25. Ilustracj graficzn ob-jtoci Vs i Ve przedstawiono na rys. 2.11.

Rysunek 2.11. Geometryczna objto skokowa cylindra Vs i efektywna (rzeczywista) objto skokowa cylindra Ve w dwusuwowym silniku

spalinowym z rozrzdem tokowo-szczelinowym

W silniku dwusuwowym rozrnia si geometryczny stopie sprania

c

cSg V

VV

+= oraz efektywny (rzeczywisty) stopie sprania

c

cee V

VV

+= .

Strata czci objtoci skokowej cylindra na proces wymiany gazw powoduje, e moc silnika przy tej samej dawce paliwa przypadajcej na cykl pracy silnika i przy tej samej prdkoci obrotowej wau korbowego nie jest dwukrotnie, a jedynie 1,51,7 raza wiksza, ni silnika czterosuwowego.

Teoretyczny cykl pracy silnika dwusuwowego przedstawiony na rys. 2.10a mona analizowa wedug metody przedstawionej w punkcie 2.2 niniejszej pracy. W oparciu o przedstawion w punkcie 2.2 metodologi, mona wyprowadzi zalenoci analityczne pozwalajce obliczy teoretyczn sprawno oraz rednie teoretyczne cinienie cyklu. Wielkoci te w podobny sposb mona wyznaczy dla cykli pracy silnika dwusuwowego przedstawionych na rys. 2.12.

TERMODYNAMICZNE CYKLE PRACY TOKOWYCH SILNIKW SPALINOWYCH

Strona 49494949

Rysunek 2.12. Teoretyczne cykle pracy tokowego dwusuwowego silnika spalinowego: a) cykl z izochorycznym doprowadzaniem ciepa,

b) z izobarycznym doprowadzaniem ciepa

ROZDZIA 2

Strona 50505050

3 Czynnik roboczy i jego waciwoci

ROZDZIA 3

Strona 52525252

3.1. Wiadomoci wstpne

W silnikach spalinowych energi ciepln konieczn do wykonania pracy mechanicznej otrzymuje si w wyniku reakcji chemicznej midzy do-prowadzonym do cylindra paliwem i tlenem zawartym w doprowadzo-nym powietrzu. Czas w czasie ktrego zachodz te reakcje we wspcze-snych silnikach spalinowych jest bardzo krtki. Czas trwania procesu przygotowania mieszanki palnej i zachodzenie reakcji chemicznych za-ley od sposobu tworzenia mieszanki palnej i rodzaju silnika. Sposb tworzenia mieszanki palnej i zachodzenia reakcji chemicznych wymaga spenienia szeregu wymaga dotyczcych paliw zasilajcych silnik. W silnikach z zewntrznym sposobem tworzenia mieszanki palnej (ganikowe, gazowe i z wtryskiem paliwa do przewodu dolotowego) pa-liwo doprowadzane jest do cylindra razem z powietrzem przez zawr dolotowy powinno atwo odparowywa i tworzy homogeniczn mie-szank paln. W silnikach z wewntrznym sposobem tworzenia mie-szanki palnej (diesel) paliwo doprowadzane jest bez-porednio do cylin-dra. Pocztek doprowadzania paliwa nastpuje w kocu procesu spra-nia i nieznacznie opnia chwil zaponu. Pozostaa cz paliwa do-prowadzana jest podczas procesu spalania. Dla takich warunkw naley zapewni dobre rozpylenie paliwa, ktre miesza si z powietrzem znaj-dujcym si w cylindrze. Koniecznym jest aby okres trwania procesu spalania by krtki.

Oprcz wyej wskazanych podstawowych wymaga koniecznym jest, aby paliwo zasilajce silnik:

zapewniao szybki i niezawodny rozruch silnika, niezalenie od temperatury otoczenia,

pozwalao realizowa proces spalania bez tworzenia si na-garu i rnych odkadw na powierzchniach komory spala-nia,

zapewniao minimalne zuycie i korozj lustra cylindra, piercieni tokowych i samego toka,

zapewniao warunki penego i doskonaego spalania oraz zmniejszenie iloci toksycznych skadnikw spalin.

CZYNNIK ROBOCZY I JEGO WACIWOCI

Strona 53535353

Najpeniej wskazane wymogi speniaj paliwa cieke i gazowe. Paliwa stae w silnikach spalinowych mona stosowa tylko po uprzedniej gazy-fikacji.

3.2. Krtkie informacje o strukturze i skadzie paliw

3.2.1. Struktura paliw

Silniki spalinowe zasilane s paliwami ciekymi lub gazowymi. rdem otrzymywania paliw ciekych jest ropa naftowa. W wyniku destylacji prostej i specjalnego przetwarzania wtrnego otrzymuje si benzyn, naft, olej napdowy, mazut itp. Oprcz tego paliwo cieke otrzyma mona drog przerbki wgla kamiennego i brunatnego oraz upek.

Paliwo cieke skada si w zasadzie z mieszaniny wglowodorw rni-cych si skadem grupowym, pokazujcym zawarto w nich poszcze-glnych elementw. Grupowy skad paliwa charakteryzuje zawarto w paliwie rnych szeregw homologicznych. Okrelaj one podstawo-we fizykochemiczne wasnoci paliwa i wpywaj na proces parowania, zaponu i spalania.

Podstawowymi skadnikami ropy naftowej s wglowodory: parafiny postaci 22nnHC + , nafteny 2nnHC i wglowodory aromatyczne postaci

62nnHC i 122nnHC . Olefinw, diolefinw i wglowodorw acetylenowych w ropie naftowej jest niewiele. Nafta zawiera rednio 8485% wgla i 1214% wodoru. Pozostae skadniki to azot, tlen i siarka. Wglowodory w postaci paliw ciekych zawieraj w jednej cz-steczce 530 atomw wgla (w benzynie 512, za w oleju napdowym do 30). Wglowodory nasycone nale do organicznych zwizkw acucho-wych. Mog one posiada proste i rozgazione acuchy atomw wgla oraz acuchy zamknite (cyklany). W wglowodorach tych atomy w-gla poczone s pojedynczymi wizaniami z atomami wodoru. Jako

ROZDZIA 3

Strona 54545454

przykad alkanu i jego izomeru poniej przedstawiono struktur butanu, izobutanu, oktanu i izooktanu:

Butan C4H10 Izobutan C4H10

Oktan C8H18 Izooktan C8H18

Im czsteczka jest bardziej zwarta tym wiksza jest jej odporno na spalanie detonacyjne. Izooktan wykorzystywany jest do oceny porw-nawczej stosowanej przy oznaczaniu liczby oktanowej paliw. Jako olej napdowy wykorzystuje si cisze frakcje ropy naftowej.

Cyklopentan C5H10

W cyklanach zwanych take cykloparafinami zamknity acuch skada si z piciu lub szeciu atomw wgla poczonych midzy sob wiza-

CZYNNIK ROBOCZY I JEGO WACIWOCI

Strona 55555555

niami pojedynczymi. Jako przykad przedstawimy struktur czsteczki cyklopentanu C5H10:

Wglowodory aromatyczne maj piercieniow budow z benzenowym jdrem i szecioma atomami wgla zwizanymi midzy sob trzema podwjnymi i trzema pojedynczymi wizaniami. Struktur benzolu i je-go homologa metylbenzola pokazane poniej: Benzol C6H6 Toulen C6H5(CH3)

Zawarto wglowodorw aromatycznych w benzynie zwiksza jej od-porno detonacyjn, jednak powoduje wiksz skonno do tworzenia nagaru.

3.2.2 Elementarny skad paliwa

Elementarnym skadem paliwa nazywamy masow lub objtociow zawarto poszczeglnych elementw w paliwie. Elementarny skad paliw ciekych wyraa si udziaami masowymi. Na przykad w 1 kg izooktanu ( 188HC ) zawarte jest 0,842 kg wgla (C) i 0,158 kg wodo-ru (H). Dla 1 kg paliwa ciekego zawierajcego wgiel, wodr i tlen mona napisa:

1kgOHC pal =++ (3.1)

ROZDZIA 3

Strona 56565656

Paliwo gazowe stosowane do zasilania silnikw samochodowych skada si z mieszaniny rnych gazw palnych i obojtnych. Jego skad wy-raa si w jednostkach objtoci lub molach. Dla 1m3 lub 1 mola paliwa gazowego jego skad oznacza si udziaami objtociowymi kadego gazu stanowicego mieszanin oraz wzorem chemicznym i wobec tego mona napisa:

=+ 1NOHC 2rmn (3.2)

3.2.3. Ciepo spalania paliwa i mieszanki paliwowo-powietrznej

Jako paliwa ocenia si wartoci jego ciepa spalania, to znaczy iloci wydzielajcego si ciepa przy penym spaleniu masowej (dla paliw cie-kych) lub objtociowej (paliwo gazowe) jednostki paliwa. Pod poj-ciem penego spalania rozumie si tutaj cakowite i zupene spalanie pa-liwa. Spalanie cakowite jest to takie spalanie podczas ktrego kada palna czsteczka paliwa wejdzie w reakcj z tlenem, za spalanie zu-pene jest to takie, w czasie ktrego wszystkie czsteczki palne paliwa przechodz w ostateczne produkty spalania nie ulegajce dalszemu pro-cesowi utleniania. Wyrni mona take spalanie doskonae, pod poj-ciem ktrego rozumie si spalanie w wyniku ktrego w produktach spa-lania nie ma tlenu.

W wyniku penego spalania paliwa tworzy si dwutlenek wgla CO2 i para wodna H2O. Przy wyznaczaniu iloci wydzielajcego si ciepa, tworzce si produkty spalania ochadza si do temperatury pocztko-wej. W takim przypadku para wodna ulega kondensacji wydzielajc przy tym ciepo. Zatem cakowit ilo wydzielajcego si ciepa podczas re-akcji chemicznej nazywamy ciepem spalania. W silniku spalinowym spaliny z silnika wydalane s przy temperaturze wyszej od 100C, przy ktrej nie wystpuje skraplanie pary wodnej. Dlatego obliczenia cieplne silnikw spalinowych naley prowadzi z wykorzystaniem wartoci opaowej paliwa, ktra ma warto mniejsz ni ciepo spalania o war-to ciepa kondensacji pary wodnej. Jeli znane jest ciepo spalania pa-liwa Hu to jego warto opaow mona obliczy wedug wzoru:

( ) ( )kgJ

,W9H102,512HW9HrHW 6uwuu +=+= (3.3)

CZYNNIK ROBOCZY I JEGO WACIWOCI

Strona 57575757

gdzie: rw - przybliona warto ciepa parowania 1kg wody,

kgJ

,102,512r 6w = , 9H - ilo pary wodnej tworzcej si przy spala-niu H kg wodoru zawartego w 1kg paliwa, W ilo kg wilgoci zawartej w 1kg paliwa ciekego.

Dla paliwa gazowego warto opaowa w 3mJ

jest:

+= w'OHC2

m

22,418102,512HW rmn6uu (3.4)

gdzie: w - ilo wilgoci zawartej w gazie palnym,

rmn OHC2m

22,418

- masowa ilo pary wodnej tworzcej si przy spaleniu paliwa zawierajcego wodr (18 masa molowa pary wodnej, 22,4 objto 1 mola gazu przy temperaturze 0C i cinieniu 0,1013 MPa ,

2m

- objto pary wodnej tworzcej si przy spaleniu Hm wo-doru).

Warto opaow paliwa ciekego w kgJ

mona w przyblieniu obli-

czy wedug wzorw Mendelejewa:

( ) ( )[ ] 6u 10W9H2,512SO10,9125,6H34,013CW ++= (3.5)

Dla paliwa gazowego, w 3mJ

:

612510483

62422242u

10)H144CH120CH91CH63,4CH59,5CH56,0C35,8CH10,8H 12,8CO(W

+++

++++++= (3.6)

CO, H2 itd.- udziay objtociowe skadnikw paliwa gazowego. Celowym jest odnie warto opaow do cakowitej iloci mieszanki paliwowo-powietrznej tj.:

ROZDZIA 3

Strona 58585858

o

uump l1

WW+

= (3.7)

lub

palo

uump

1L

WW+

=

(3.8)

Jeli < 1 to na skutek niezupenego spalania ilo wydzielanego ciepa maleje: ( ) ( ) ( )

2HuCOuu1uWWWW =

< (3.9)

gdzie: ( )COuW i ( ) 2HuW niewydzielajce si czci ciepa ze wzgldu na obecno w Spa linach CO i H2.

3.3. Czynnik roboczy i jego waciwoci

Czynnikiem roboczym nzw. orodek za pomoc ktrego realizowany jest rzeczywisty cykl pracy silnika. W tokowych silnikach spalinowych stanowi go: utleniacz, paliwo i produkty spalania. W czasie realizacji cyklu pracy silnika czynnik roboczy zmienia swoje wasnoci w zalenoci od temperatury i skadu co naley uwzgldnia w obliczeniach cyklu pracy silnika.

3.3.1. Waciwoci czynnika roboczego przy cakowitym i zupenym spalaniu tj. przy 1

Stechiometryczna ilo powietrza do spalenia 1kg paliwa ciekego o skadzie C + H + O = 1, wyraona w kmol/kg jest:

CZYNNIK ROBOCZY I JEGO WACIWOCI

Strona 59595959

+=

32O

4H

12C

0,211Lo (3.10)

lub

( )0,791,99

C8OH

C31

120,21CLo +=

+

= (3.11)

gdzie:

C8O

-H2,37

8OH

C0,793

=

= (3.12)

Wielko jest wielkoci proporcjonaln do stosunku iloci tlenu po-trzebnego do spalenia wodoru do iloci tlenu potrzebnego do spalenia wgla zawartych w paliwie.

Dla paliw pochodzenia naftowego warto = 0,33 0,42.

Reakcj cakowitego i zupenego spalania paliwa o wzorze chemicznym CnHmOr mona napisa w postaci:

OH2m

nCOO2r

4m

nOHC 222rmn +=

++ (3.13)

Ilo powietrza wyraona w kilomolach lub m3 teoretycznie potrzebnego do spalenia 1 kmola lub 1m3 mieszaniny gazowej o skadzie + 2rmn NOHC = 1 ma posta:

+= rmnO OHC2

r

4m

n0,21

1L (3.14)

Wspczynnik nadmiaru powietrza - jest to stosunek rzeczywistej ilo-ci powietrza L do iloci stechiometrycznej powietrza potrzebnego do cakowitego i zupenego spalenia paliwa:

oLL

= (3.15)

Praktycznie cakowite i zupene spalanie moliwe jest tylko przy 1.

ROZDZIA 3

Strona 60606060

Warto wspczynnika wykorzystuje si do oceny jakoci mieszanki palnej, i tak:

mieszank paln dla ktrej > 1 nazywamy mieszank ubog,

mieszank paln dla ktrej = 1 nazywamy mieszank stechiometryczn,

mieszank paln dla ktrej < 1 nazywamy mieszank bogat.

W krajach anglojzycznych jako mieszanki palnej ocenia si stosunkiem iloci paliwa do iloci powietrza w niej zawartych zdefiniowanego zalenoci:

1

lgg

lgg

m

m

m

m

oc

c

oc

c

stechpow

pal

rzpow

pal

==

= (3.16)

lub: 1 =

3.3.2. Ilo mieszanki palnej przed rozpoczciem procesu spalania

Ilo mieszanki palnej w silniku o zewntrznym sposobie tworzenia mieszanki palnej i zasilanym paliwem ciekym:

palkgm.palkmol

;m

1LM

o1 += , (3.17)

W zalenoci tej m - masa molowa paliwa. Ilo mieszanki palnej w silniku zasilanym gazem palnym przed rozpo-czciem procesu spalania jest:

palnegogazukgm.palkmol

;1LM o1 += (3.18)

CZYNNIK ROBOCZY I JEGO WACIWOCI

Strona 61616161

Ilo mieszanki palnej w silniku o wewntrznym sposobie tworzenia mieszanki palnej (silniki o zaponie samoczynnym) jest:

palkgm.palkmol

;LM o1 = (3.19)

We wzorze tym zaniedbuje si objto doprowadzanego do cylindra paliwa w porwnaniu z objtoci powietrza.

3.3.3. Produkty procesu spalania i zmiana objtoci czynnika roboczego powodowana spalaniem

Proces spalania paliw silnikowych charakteryzuje si rozpadem istniej-cych w nich wiza wewntrzczsteczkowych i nastpnie utlenianiem wgla i wodoru. Przy wykonywaniu oblicze cieplnych silnika i przy zaoeniu braku dysocjacji , produkty spalania w zalenoci od wartoci skadaj si:

przy > 1 produktami spalania s: CO2, H2O, O2, i N2 oraz niewielkie iloci CO, H2 i CnHm,

przy = 1 produktami spalania s: CO2, H2O, i N2 oraz nie-wielkie iloci CO, H2, O2 i CnHm,

przy < 1 produktami spalania s: CO2, CO, H2O, i N2 oraz niewielkie iloci O2 i CnHm przy zaoeniu, e niecakowi-temu spalaniu ulega tylko wgiel zawarty w paliwie.

Przy spalaniu 1kg paliwa ciekego o znanym skadzie elementarnym i przy > 1 iloci poszczeglnych skadnikw spalin s:

ROZDZIA 3

Strona 62626262

( ) ( )( )

( )

+

=

+

==

=

=

0,790,2112CL

0,7910,7912CL10,21M

2HM

12CM

o

oO

OH

CO

2

2

2

,790

(3.20)

Cakowita ilo spalin jest sum:

2222 NOOHCO2 MMMMM +++= (3.21)

lub

( )

( )( )[ ]

0,790,2110,210,79

12C

2H

48OHL

L12H

12C

0,79,L10,212H

12CM

o

o

oo2

++=

=

++

=++=

=+++=

(3.22)

gdzie:

( ) oL1- nadmiar powietrza znajdujcego si w spalinach. Ilo kmoli spalin przy spalaniu 1kg paliwa o zadanym skadzie i przy teoretycznie koniecznej iloci powietrza dla zapewnienia cakowitego i zupenego spalenia tzn. przy = 1 jest:

,++= oo L7902H

12C

M (3.23)

Ilo kmoli lub m3 poszczeglnych skadnikw spalin przy spalaniu zupenym 1 kmola lub 1m3 paliwa gazowego, przy 1 jest:

CZYNNIK ROBOCZY I JEGO WACIWOCI

Strona 63636363

( )

;+NL79,0=M;L121,0=M

; OHC2m

=M ;OHnC=M

2oNoO

rmnOHrmnCO

22

22 (3.24)

Cakowita ilo spalin jest:

NL21,0LOHC2m

nM 2oormn2 ++

+= (3.25)

Poniewa 1 NOHC 2rmn =+ , to

OHC12r

4mL1M rmno2

+++=

lub

( ) ( ) ooooOHCO2 L1ML1L79,0MMM 22 +=+++= (3.26) gdzie: ( ) oL1 ilo powietrza w spalinach przy dowolnym .

oM ilo spalin ze spalania 1kmola paliwa gazowego przy = 1.

Znajc wielkoci poszczeglnych skadnikw spalin i ich cakowit ilo M2 mona wyznaczy ich udziay objtociowe, zarwno dla spalin wilgotnych jak i spalin suchych. Udziay molowe (objtociowe) skadnikw spalin wilgotnych s:

( )

( )

( )

( )

+==

+==

+==

+==

oo

N

2

NN

oo

O

2

OO

oo

OH

2

OHOH

oo

CO

2

COCO

L1MM

MM

r

L1MM

MM

r

L1MM

MM

r

L1MM

MM

r

222

222

222

222

(3.27)

ROZDZIA 3

Strona 64646464

Ze wzorw (3.27) wynika, e zawarto pary wodnej w spalinach maleje ze wzrostem wspczynnika . Piszc wzory (3.27) wykorzystano prawdziwo mwic o rwnoci udziaw objtociowych i udziaw molowych.

Ilo kilomoli spalin suchych jest:

( ) ( )( )

79,021,021,079,0

12

21,012222

+=

=+==

C

LCMMM oOHsuch (3.28)

Udziay objtociowe spalin suchych:

( ) ( ) ( ) +

===

21,079,079,021,0

M12C

MM)r(

such2such2

COsuchCO

22

(3.29)

( )( )

( )( )( )

( ) ++

=

==

21,079,079,0121,0

ML121,0

MM)r(

such2

o

such2

OsuchO

22

(3.30)

( ) ( )( )

( ) ++

=

==

21,079,079,079,0

ML79,0

MM)r(

such2

o

such2

NsuchN

22

(3.31)

Na podstawie analizy spalin mona oceni zupeno i cakowito spalania oraz wyznaczy warto i inne parametry.

Wartoci graniczne udziau suchCO )r( 2 i suchO )r( 2 :

Jeeli = 1 to 0)r( suchO2 = , a += 121,0)r( maxCO2 ;

Jeeli to 21,0)r( suchO2 = , a 0)r( maxCO2 = (czyste powietrze)

Wzr (3.29) pozwala wyznaczy w zalenoci od udziau suchCO )r( 2 :

( )

++= suchCO )r(79,0

79,021,0

2

(3.32)

CZYNNIK ROBOCZY I JEGO WACIWOCI

Strona 65656565

Dla spalenia cakowitego, znajc z analizy spalin dane dotyczce CO2 oraz znajc elementarny skad paliwa mona obliczy warto ze wzoru:

( ) 0,79])[(r0,79)0,21,2

suchN

suchN

2

2

+= (3.33)

gdzie:

[ ]suchOsuchCOsuchN )r()r(1)r( 222 += (3.34) Rozwizujc cznie (3.32) i (3.33) przy wykorzystaniu (3.34) mona okreli zwizek such2 )CO( z sumaryczn zawartoci

such2such2 )O()CO( + podczas cakowitego spalania paliwa ciekego o znanym skadzie elementarnym:

suchCOsuchOsuchCO )r(21,0)r()r( 222 +=+ (3.35) Rwnanie to umoliwia kontrol zupenoci spalania.

3.3.3.1 Niezupene spalanie paliw ciekych

Spalaniem niezupenym nazywamy spalanie, podczas ktrego cz jego skadnikw przemienia si w produkty niezupenego spalania.

Przyczyn takiego spalania moe by: niedobr tlenu w mieszance pal-nej, lokalny brak tlenu w strefie spalania wynikajcy z niedoskonaoci procesu tworzenia mieszanki palnej, czy te zbyt krtkiego czasu spala-nia mieszanek ubogich.

Skadnikami spalin takiego spalania s: CO2, CO, H2O, H2, N2 i jego tlenki, 0,20,3% metanu CH4 oraz lady wglowodorw i tlenu.

Dla niezupenego spalania stosunek zawartoci wodoru do zawartoci tlenku wgla bardzo sabo zaley od wspczynnika .

.constKMM

CO

H2==

Dla spalania benzyny w ktrej 19,017,0CH

= mona przyj K = 0,45 0,50.

ROZDZIA 3

Strona 66666666

Przy obliczeniach skadu spalin niezupenego spalania zaniedbuje si zwarto tlenu, metanu i innych wglowodorw w spalinach, to znaczy przyjmuje si, e skadnikami spalin s: CO2, CO, H2O, H2 i N2. Skadniki spalin takiego spalania oblicza si ze wzorw:

wgiel 12CMM COCO2 =+ (3.36)

wodr 2HMM

22 HOH =+ (3.37)

tlen

3232O

4H

12C

32O0,21,

M21M

21M

o

OHCOCO 22

O+

+=+=

=++

(3.38)

azot oN L79,0M 2 = (3.39)

oraz zwizek eksperymentalny:

22 COH KMM = (3.40)

Wykorzystujc powysze zalenoci skadniki niezupenego spalania 1kg paliwa ciekego przy < 1 obliczamy ze wzorw:

CZYNNIK ROBOCZY I JEGO WACIWOCI

Strona 67676767

=

+

=

+

=

+

=

+

=

oN

oOH

oH

oCO

oCO

L0,79M

0,21LK112K

2HM

0,21LK112KM

0,21LK112

12CM

0,21LK112M

2

2

2

2

(3.41)

Cakowita ilo spalin jest:

( )21,0

79,021,012C

2HL79,0

2H

12CM o2

+++=++= (3.42)

3.3.3.2. Zmiana objtoci czynnika roboczego

Zmiana tej objtoci nastpuje na skutek zmiany liczby czsteczek spalin w porwnaniu z liczb czsteczek mieszanki palnej. 12 MMM = (3.43)

Dla silnikw o zewntrznym sposobie tworzenia mieszanki palnej i zaponie wymuszonym warto obliczamy ze wzoru:

palm

132O

4HM

+= (3.44)

Dla silnikw o zaponie samoczynnym wartoci M obliczamy ze wzoru:

ROZDZIA 3

Strona 68686868

32O

4HL

48OHL

M oo

+=

++

= (3.45)

Zmiana wielkoci M przy spalaniu 1kmol (1m3) paliwa gazowego:

+== rmn12 OHC12

r

4mMMM (3.46)

Z powyszych zalenoci wynika, e zmiana objtoci podczas spalania nie zaley od wspczynnika nadmiaru powietrza , a zaley od zawarto-ci wodoru i tlenu w paliwie.

Wzgldn zmian objtoci przy spalaniu mieszanki palnej charaktery-zuje wspczynnik zmian molowych o, ktry definiuje zaleno:

21

20 M

M1MM

+== (3.47)

Warto wspczynnika zmian molowych z uwzgldnieniem wspczyn-nika resztek spalin obliczamy ze wzoru:

++

=1

0 (3.48)

4 Porwnawcze cykle pracy tokowych silnikw spalinowych

ROZDZIA 4

Strona 70707070

4.1. Wiadomoci wstpne

Podczas analizy teoretycznych cykli pracy silnika zakada si, e ciepo jest do niego doprowadzane i od niego odprowadzane na zewntrz, nie zajmujc si jego rdem. W rzeczywistoci, w tokowym silniku spali-nowym ciepo wydzielane jest we wntrzu przestrzeni roboczej cylindra na skutek spalania mieszaniny paliwa z powietrzem. Cykliczno pracy silnika wymaga, aby rwnie adunek cylindra by wymieniany cyklicz-nie tzn. aby wiey adunek by doprowadzany do cylindra, za spaliny byy z niego usuwane. Tak cykliczn realizacj procesw wymiany a-dunku w cylindrze umoliwia mechanizm rozrzdu silnika.

Teoretyczny cykl pracy silnika, w ktrym uwzgldnia si wymian a-dunku i efekt cieplny egzotermicznych, chemicznych reakcji spalania w cylindrze silnika nazywamy cy-klem porwnawczym.

Porwnawcze cykle pracy silnika sporzdza si przy nastpujcych zao-eniach:

1. Czynnikiem roboczym jest gaz doskonay, pdoskonay lub rzeczywisty. W wyniku reakcji chemicznych czynnik ten zmie-nia swj skad i wasnoci termodynamiczne.

2. Ilo czynnika roboczego realizujcego cykl pracy silnika jest staa, chocia cykl ten stanowi otwarty ukad termodynamiczny wymieniajcy czynnik roboczy z otoczeniem.

3. Ciepo do cykli pracy dostarczane jest w wyniku procesu spala-nia, z uwzgldnieniem jego niecakowitoci i niezupenoci.

4. Procesy sprania i rozprania s przemianami politropowymi.

5. Uwzgldnia si prac suww pompowych, sucych do realiza-cji procesw napenia-nia i wylotu spalin z cylindra, ktre reali-zowane s przy staym rednim cinieniu w cylindrze.

Z reguy w silnikach wolnosscych praca suww pompowych jest ujemna, za w silnikach doadowanych dodatnia. Przy analizie takich cykli pracy mona uwzgldnia rwnie wymian ciepa z otoczeniem. Stopie skomplikowania oblicze porwnawczego cyklu pracy zaley od przyjtych zaoe. Std wynika, e w zalenoci od przyjtych zaoe

PORWNAWCZE CYKLE PRACY TOKOWYCH SILNIKW SPALINOWYCH

Strona 71717171

definicja porwnawczego cyklu pracy moe obejmowa kady cykl pracy silnika znajdujcy si po-midzy teoretycznym i rzeczywistym cy-klem pracy silnika.

Im wiksze bdzie przyblienie cyklu porwnawczego do cyklu rzeczy-wistego tym suszniejsze jest stosowanie okrelenia ,,cykl pracy sil-nika.

Rysunek 4.1. Porwnawcze cykle pracy silnikw: a - wolnosscego, b doadowanego. Indeks dolny w dotyczy silnika wolnosscego, za

d silnika doadowanego

ROZDZIA 4

Strona 72727272

Przy analizie cyklu pracy silnika z uwzgldnieniem procesu spalania naley pamita, e skad produktw spalania w cylindrze nie jest do-wolny, lecz cile zwizany z przebiegiem procesw zachodzcych w czasie trwania reakcji chemicznych. Wywiera on bardzo istotny wpyw na parametry i wskaniki pracy silnika. Naley tu zaznaczy, e do pe-nego opisu porwnawczego cyklu pracy naley zna cinienie i tempe-ratur oraz skad chemiczny czynnika roboczego w cylindrze na po-cztku procesu sprania. Pozostae wielkoci mona wyznaczy na dro-dze oblicze, przestrzegajc przy tym spenienia ogranicze wynikaj-cych z moliwoci technologicznych i warunkw, w jakich silnik pra-cuje. Do ogranicze tych zaliczamy maksymalne i minimalne wartoci cinienia i temperatury czynnika roboczego w cylindrze.

Poza wyej wymienionymi zaoeniami mona przyj rwnie inne zaoenia, ktre pozwalaj na jeszcze wiksze przyblienie sporzdzo-nego wykresu porwnawczego cyklu pracy silnika do jego cyklu rze-czywistego. Przykadowe wykresy porwnawczych cykli pracy w uka-dzie wsprzdnych p V silnika wolnosscego i silnika doadowanego przedstawiono na rys. 4.1.

4.2. Uoglniony model matematyczny procesw w cylindrze czterosuwowego silnika spalinowego

Najbardziej zoonym problemem doskonalenia cyklu pracy silnika jest doskonalenie jego procesw skadowych zachodzcych w cylindrze silnika.

Na rys. 4.2. przedstawiono schemat cylindra silnika i elementarne pro-cesy w nim zachodzce oraz procesy zachodzce w poczonych z nim ukadach. Schemat ten przedstawia otwarty ukad termodynamiczny, dla ktrego rwnanie pierwszej zasady termodynamiki ma posta: LdUE += (4.1)

PORWNAWCZE CYKLE PRACY TOKOWYCH SILNIKW SPALINOWYCH

Strona 73737373

gdzie: E -elementarna zmiana cakowitej energii zawartej w ukadzie, d - rniczka, - maa wielko elementarna.

Rys. 4.2. Elementarne procesy w cylindrze silnika i poczonych z nim ukadach

W czasie elementarnego przedziau czasu dt, do cylindra silnika dopro-wadzana jest przez zawory dolotowe ilo moli czynnika roboczego M12, jeli pd > p, lub wypywa z niego M12 moli, gdy p > pd. Na skutek przepywu czynnika roboczego przez zawory dolotowe zewntrzna wy-miana energii jest: TcMTcMHHH rp21drpd1221122 == (4.2)

W wyej wskazanym przedziale czasu dt z cylindra wypywa przez za-wory wylotowe M23 moli czynnika roboczego jeli p > pw, lub dopywa do niego M32 spalin z ukadu wylotowego, jeli pw > p. Zmiana energii czynnika roboczego w cylindrze spowodowana przepy-wem spalin przez zawory wylotowe jest: wrpw32rp233223w TcMTcMHHH == (4.3)

W czasie dt do cylindra silnika doprowadzane jest Mmpal moli paliwa o entalpii fizycznej: palpalpalpal TcMH = (4.4)

ROZDZIA 4

Strona 74747474

W czasie chemicznej reakcji spalania, w cylindrze silnika w elementar-nym przedziale czasu wydziela si ilo ciepa:

dtxWgdtdtdxWgQ ucucx &== (4.5)

Poniewa istnieje rnica temperatury czynnika roboczego i temperatura cianek ograniczajcych przestrze cylindra, to ilo ciepa wymienio-nego w elementarnym przedziale czasu jest:

( )dtTTFQ scgsc = (4.6) Podczas ruchu toka w czasie dt czynnik roboczy wykonuje elementarn prac bezwzgldn:

pdVL = (4.7)

Zmian energii wewntrznej czynnika roboczego w cylindrze silnika, w czasie elementarnego przedziau czasu, moemy obliczy z zalenoci:

( )TcMddU rv= (4.8) Uwzgldniajc zalenoci od (4.2) do (4.6), elementarna ilo energii doprowadzonej do cylindra w czasie dt jest: scxpalwd QQHHHE ++= (4.9)

Podstawiajc zalenoci (4.7), (4.8) i (4.9) do (4.1) otrzymuje si rwna-nie pierwszej zasady termodynamiki w postaci oglnej dla czynnika ro-boczego realizujcego cykl pracy tokowego silnika spalinowego:

( ) pdVTcMdQQHHH rvscxpalwd +=++ (4.10) Uoglniony, matematyczny model procesu roboczego w cylindrze to-kowego silnika spalinowego otrzyma si, jeli rwnanie (4.10) uzupeni si: rwnaniami bilansu iloci czynnika roboczego, rwnaniem stanu i zalenoci opisujc wielko chwilowej objtoci cylindra. Rwnania te i zalenoci maj posta:

rwnanie bilansu iloci moli czynnika roboczego w cylin-drze:

( )wd MMM = (4.11)

PORWNAWCZE CYKLE PRACY TOKOWYCH SILNIKW SPALINOWYCH

Strona 75757575

rwnanie stanu czynnika roboczego w cylindrze:

MTRpV = (4.12)

zaleno opisujca chwilow objto czynnika roboczego w cylindrze:

( )

=

211

1VV s (4.13)

gdzie:

( )

+= 22kk

sin111)cos1( (4.14)

LR

k = (4.15)

Tak, wic ukad rwna (4.10), (4.11), (4.12) i (4.13) przedstawia uoglniony matematyczny model procesw zachodzcych w cylindrze tokowego silnika spalinowego w czasie realizacji przez niego cyklu pracy.

4.3. Wymiana czynnika roboczego w czterosuwowym silniku spalinowym

Proces wymiany czynnika roboczego w czterosuwowym silniku wolnos-scym i silniku doadowanym jest rny. Rnica ta zwizana jest z tym, e cinienie w ukadzie wylotowym i ukadzie dolotowym s rne. I tak, ze wzgldu na opory hydrauliczne przewodw wylotowych i dolo-

towych silnikw wolnosscych 1pp

d

w > , gdzie pw jest cinieniem

w przewodzie wylotowym, za pd jest cinieniem w przewodzie doloto-

ROZDZIA 4

Strona 76767676

wym. Odwrotnie jest w silnikach doadowanych, w ktrych dziki pracy agregatw doadowujcych zawsze jest 1

pp

d

w < .

Istotnym mechanizmem silnika czterosuwowego jest zaworowy mecha-nizm rozrzdu sterujcy otwarciem i zamkniciem zaworw dolotowych i wylotowych (rys 4.3). Komora spalania silnika poczona jest poprzez wyej wskazane zawory i ich krce z ukadem dolotowym i wyloto-wym.

Rys. 4.3. Przykadowy schemat: a ukadu dolotowego i wylotowego silnika spalinowego; b zmiany cinienia w cylindrze wolnosscego silnika spalinowego; c zmiany paszczyzny przekroju przelotowego

na zaworach; d zmiany cinienia w cylindrze czterosuwowego silnika z doadowaniem

Rozpatrzmy organizacj wymiany gazw w wolnosscym silniku spali-nowym (rys. 4.3 b). W kocu procesu rozprania, kiedy tok jeszcze nie doszed do DZP nastpuje otwarcie zaworu wylotowego II. Cinienie w cylindrze p jest wysze od cinienia w ukadzie wylotowym pw. Pod wpywem rnicy tych cinie spaliny wypywaj do przewodu wyloto-wego, przy czym na odcinku procesu od punktu ,,ow do punktu ,,k sto-

sunek cinie 1

w

12

pp

+< i wypyw spalin z cylindra nastpuje

z prdkoci krytyczn, rwn lokalnej prdkoci rozprzestrzeniania si dwiku. I tak jeli wspczynnik nadmiaru powietrza = 2, a tempera-

PORWNAWCZE CYKLE PRACY TOKOWYCH SILNIKW SPALINOWYCH

Strona 77777777

tura gazw w cylindrze jest rwna T = 900oC, to wwczas wykadnik adiabaty = 1,302. Wtedy krytyczny stosunek cinie:

572,01302,1

21

2 1302,1302,1

1=

+=

+=

Jeli cinienie w ukadzie wylotowym pw=1,1 bara, to cinienie kry-

tyczne w punkcie ,,k bdzie rwne 1,9230,5721,1

pp wkr === bara,

a prdko wypywu spalin z cylindra na odcinku od ,,w do ,,k wynosi:

s

m6181302,111734,2873,12RT

12w

+

=

+

=

W okresie tym niezalenie od tego, e tok przemieszcza si w kierunku DZP, na skutek rnicy cinie, z cylindra wypywa znaczna cz spa-lin. W miar zmniejszania si iloci spalin w cylindrze, cinienie w nim maleje. W punkcie ,,k ,

pp w

= . Przy dalszym trwaniu procesu >p

p w

warunki wypywu spalin z cylindra staj si warunkami podkrytycznymi, a prdko ich wypywu maleje. W punkcie ,,1 cinienie gazw w cy-lindrze i ukadzie wylotowym wyrwnuj si, a wypyw powodowany rnic cinie zanika.

Odcinek liczony od punktu ,,ow do ,,1, w czasie, ktrego spaliny wy-pywaj z cylindra pod dziaaniem rnicy cinie przyjto nazywa pierwsz faz procesu wymiany gazu, tzw. swobodnym wypywem spa-lin i oznacza I.

Na rys. 4.3c przedstawiono wykres zmiany przekrojw przelotowych zaworu wylotowego i dolotowego. W kocu I fazy, tj. w kocu swobod-nego wypywu spalin paszczyzna przekroju przelotowego zaworu wy-lotowego osiga warto maksymaln. Po zakoczeniu swobodnego wylotu spalin, tok przemieszcza si w kierunku od DZP do GZP i roz-poczyna si II faza wylotu, tzw. faza wymuszonego wylotu spalin z cy-lindra. Na pocztku tego procesu (ze wzgldu na zmniejszajc si ilo gazw, wzgldne zmniejszenie si objtoci cylindra i czciowo si bezwadnoci) cinienie gazw w cylindrze po przekroczeniu punktu ,,1 maleje poniej cinienia w ukadzie wylotowym. Nastpnie w miar zwikszania si prdkoci toka (prdko toka silnika osiga maksi-mum w przyblieniu w poowie odlegoci midzy GZP i DZP) na sku-

ROZDZIA 4

Strona 78787878

tek oporw zaworu wylotowego cinienie w cylindrze nieco wzrasta w porwnaniu do cinienia w ukadzie wylotowym. W kocu suwu wytaczania spalin,