Parametry użyteczne

Przyjęta konfiguracja systemu oczyszczania gazów wylotowych do silnika ZS zgodnie z normą Euro VI

EGR

DOC+DPF/CSF SCR Filtr NH3

CR/PW Filtry GPF

Rys. 3.8. Możliwe konfiguracje układów oczyszczania gazów wylotowych nowoczesnych pojazdów wyposażonych w silniki ZI i ZS [41]

W ultralekkich statkach powietrznych silniki chłodzone są powietrzem bądź łącznie powietrzem i cieczą. Przykładem tutaj są jednostki napędowe Rotax i Limbach gdzie powietrzem chłodzony jest kadłub silnika oraz poszczególne cylindry. Wloty powietrza znajdują się przeważnie na przedniej ścianie statku powietrznego (rys. 3.4). Ich powierzchnia musi być jak najmniejsza ze względu na parametry użyteczne śmigła (sprawność, siła ciągu) oraz na ograniczenie przedostawania się zanieczyszczeń do komory spalania podczas startu. Natomiast głowice chłodzone są cieczą. Aby zapewnić odpowiedni przepływ powietrza wokół żeber w cylindrze i/lub głowicy, stosuje się kierownice umieszczone w komorze silnika. W silnikach samochodowych stosowane są wyłącznie układy chłodzenia cieczą [7, 17, 20].

a) b) c)

Rys. 3.9. Wloty powietrza samolotów: a) Morane 880 MS, b) Trinidad Socata, c) Cessna 152 [86]

3.2. Parametry użyteczne

Parametry użyteczne silników stosowanych w pojazdach samochodowych i w ultralekkich statkach powietrznych znacząco się różnią. Wynika to z odmiennych warunków pracy oraz wymagań prawnych. Zgodnie z normami prawnymi w Polsce

(podrozdział 2.1) ultralekki statek powietrzny ze standardowym wyposażeniem może wykonywać loty do wysokości 3000 m, nie wcześniej niż 30 minut przed wschodem słońca i nie później niż 30 minut po zachodzie słońca. W odróżnieniu od pojazdów samochodowych, warunki atmosferyczne dla statków powietrznych znacznie częściej ulegają zmianie, nawet w krótkim odstępie czasowym. Warunki atmosferyczne normalne w zależności od wysokości zdefiniowano w normie ISO 2533:1975 stanowiącej Międzynarodową Atmosferę Wzorcową [74]. Jest ona stosowana w lotnictwie m.in. w celu porównania parametrów użytkowych statków powietrznych eksploatowanych w różnych miejscach. Parametry atmosfery (temperatura, ciśnienie i gęstość powietrza) wg wymienionej normy dla wysokości do 3000 m przedstawiono w tab. 3.1. Wielkości te podano względem wysokości bezwzględnej, czyli odległości od średniego poziomu morza.

Tab. 3.1. Parametry Międzynarodowej Atmosfery Wzorcowej dla wysokości do 3000 m [74]

Wysokość h [m] Temperatura T [°C] Ciśnienie p [mbar] Gęstość ρ [kg/m³]

0 15,00 1013,25 1,225

500 11,75 954,61 1,167

1 000 8,50 908,76 1,112

1 500 5,25 845,60 1,058

2 000 2,00 795,01 1,007

2 500 –1,24 746,92 0,957

3 000 –4,49 701,21 0,909

Zgodnie ze zdefiniowanymi warunkami atmosferycznymi w normie ISO 2533:1975 loty dla ultralekkich statków powietrznych mogą odbywać się w ujemnych temperaturach (rys. 3.10). Należy zwrócić uwagę, że podane wartości temperatur dotyczą idealnego modelu atmosfery, a w rzeczywistości mogą one być zdecydowanie niższe. Przy wilgotności względnej większej lub równej 60% i temperaturach w zakresie od –10°C do +25°C istnieje ryzyko wystąpienia zjawiska oblodzenia płatowca.

Rys. 3.10. Zależność temperatury powietrza atmosferycznego od wysokości zdefiniowana w normie ISO 2533:1975 [28]

Zagrożenie wystąpienia tego zjawiska jest dużo większe w ciepłe i wilgotne letnie dni niż w suche dni zimowe. W Stanach Zjednoczonych w latach 1990–2000 spośród 3 230 wszystkich wypadków lotniczych związanych z pogodą aż 388 (12%) dotyczyło wystąpienia zjawiska oblodzenia, z czego 203 stanowiło oblodzenie silnika statku powietrznego [10, 16]. W przypadku silników lotniczych ultralekkich statków powietrznych największym niebezpieczeństwem jest oblodzenie gaźnika lub układów wtrysku paliwa, oblodzenie układu dolotowego oraz oblodzenie układu zasilania paliwem. Nawet niewielka ilość lodu w którymkolwiek z wymienionych elementów może spowodować zmniejszenie mocy, poprzedzone spadkiem prędkości obrotowej wału korbowego przy stałym śmigle lub spadkiem podciśnienia w kolektorze dolotowym przy śmigle samoprzestawialnym. Jeżeli nie są zastosowane rozwiązania mające na celu ograniczenie zjawiska oblodzenia może ono spowodować całkowitą utratę mocy silnika.

W konstrukcjach silników lotniczych stosuje się systemy zabezpieczające przed oblodzeniem. W przypadku gaźnika, jednym z nich jest montaż układu podgrzewania powietrza dolotowego przy wykorzystaniu energii gazów wylotowych (rys. 3.11), gdzie zawór (5) kieruje gazy do nagrzewnicy (3), która ogrzewa gaźnik (2).

Rys. 3.11. Schemat układu dolotowego silnika lotniczego z ogrzewaniem gaźnika przy wykorzystaniu energii gazów wylotowych: 1 – wlot powietrza z filtrem, 2 – gaźnik, 3 – nagrzewnica, 4 – wylot spalin,

5 – zawór sterowania ogrzewaniem [90]

Drugim rozwiązaniem jest doprowadzenie ogrzanego powietrza, pobieranego przez dodatkowy wlot. Powietrze jest ogrzewane przez układ wylotowy i za pomocą zaworu (3) doprowadzone do układu dolotowego (rys. 3.12). Takie rozwiązanie jest stosowane zarówno w silnikach z gaźnikiem, jak i z układem wtrysku benzyny. Jego wadą jest

doprowadzanie do silnika powietrza bez filtracji, w związku z czym po usunięciu objawów oblodzenia silnika, pilot koniecznie musi wyłączyć system podgrzewania [90].

Rys. 3.12. Schematy układów dolotowych silnika lotniczego z doprowadzeniem podgrzanego powietrza:

1 – główny wlot powietrza z filtrem, 2 – gaźnik, 3 – zawór powietrza ogrzanego, 4 – upust powietrza ogrzanego, 5 – wylot spalin, 6 – dodatkowy wlot powietrza, 7 – nagrzewnica [90]

Analizując zmianę ciśnienia atmosferycznego względem wysokości lotu stwierdzono, że wraz ze wznoszeniem statku powietrznego ciśnienie atmosferyczne obniża się (rys. 3.13). Jest to związane przede wszystkim ze zmniejszającą się wysokością słupa powietrza naciskającego na jednostkę powierzchni. Wskutek tego obserwowane jest również ograniczenie gęstości powietrza atmosferycznego (rys.

3.14). Mniejsze ciśnienie atmosferyczne przyczynia się do spadku wartości współczynnika napełnienia, a tym samym ograniczeniu ulega ilość tlenu dostarczana do komory spalania.

Rys. 3.13. Zależność ciśnienia atmosferycznego od wysokości zdefiniowana w normie ISO 2533:1975 [28]

Z tego względu konieczne jest zubożanie mieszanki paliwowo-powietrznej, co przekłada się na pogorszenie parametrów użytecznych silnika. Jako przykład potwierdzający ten fakt zaprezentować można zależność mocy użytecznej silnika od

wysokości lotu. Dla silnika Rotax 912 zależność ta ma przebieg liniowy i wraz ze wzrostem wysokości lotu maleje moc użyteczna (rys. 3.15). Tak szybko zmieniające się warunki atmosferyczne wymagają zastosowania systemów regulacji układów zasilania silnika w paliwo. W przypadku gaźników, stosuje się systemy automatycznie korygujące dawkę paliwa w zależności od zmiany ciśnienia atmosferycznego. Układy wtrysku paliwa wyposażane są w czujniki ciśnienia i jednostkę sterującą, która zmniejsza dawkę paliwa wraz ze spadkiem ciśnienia.

Rys. 3.14. Zależność gęstości powietrza atmosferycznego od wysokości zdefiniowana w normie ISO 2533:1975 [28]

Rys. 3.15. Charakterystyka wysokościowa silnika lotniczego Rotax 912 [40]

Warunki eksploatacji ultralekkiego statku powietrznego są ściśle określone przez instrukcje wydane przez producenta lub konstruktora i podlegają nadzorowi oraz

kontroli urzędu ULC. Instrukcja użytkowania określa jakie są dopuszczalne i bezpieczne parametry lotu statkiem powietrznym w danej konfiguracji. Eksploatacja silnika tłokowego zamontowanego w ultralekkim statku powietrznym musi być wykonywana zgodnie z zapisami zawartymi w instrukcji obsługi technicznej. Instrukcja określa czas resursu, czyli okres eksploatacji statku powietrznego, po którym należy wykonać założone czynności, w tym, dotyczące obsługi silnika tłokowego. Przy ustalaniu resursu brane jest pod uwagę utrzymanie założonego poziomu niezawodności. Jego czas oraz zakres czynności eksploatacyjnych może ulegać wydłużeniu na skutek zdobycia doświadczenia eksploatacyjnego w lotnictwie. Musi ono prowadzić do pewności, że ścisłe przestrzeganie instrukcji lub ustalone odpowiednie procedury operacyjne zapewnią wysoki poziom obsługi technicznej. Ponadto umożliwią monitorowanie stanu technicznego silnika znacznie powyżej określonego przez producenta okresu między remontowego bez ryzyka wystąpienia nagłej usterki podczas lotu [16, 68, 69], Pojawiają się propozycje zastąpienia sposobu określenia okresu między remontowego na metodę określania według stanu technicznego. Przy spełnieniu wymagań założonych przez odpowiedni organ administracji publicznej (w tym przypadku Urząd Lotnictwa Cywilnego) możliwe jest wydłużenie okresu między remontami o 20%.

Silniki tłokowe stosowane w ultralekkich statkach powietrznych cechują się parametrami użytecznymi zbliżonymi do silników stosowanych w osobowych pojazdach samochodowych. Konstrukcja tych pojazdów jest przeznaczona do przewozu nie więcej niż dziewięciu osób wraz z kierowcą i bagażem. W odróżnieniu od ultralekkich statków powietrznych w samochodach niezawodność układu napędowego nie jest priorytetowym wskaźnikiem eksploatacji. Dużo większą uwagę przykłada się do ograniczenia ich negatywnego oddziaływania na środowisko naturalne, z uwagi na liczbę użytkowanych pojazdów samochodowych. Każdy pojazd podlega obowiązkowemu badaniu technicznemu wykonywanemu na Stacji Kontroli Pojazdów.

W odniesieniu do statków powietrznych zakres tego badania, dotyczący silnika spalinowego, jest zdecydowanie mniejszy i polega na sprawdzeniu stanu układu wylotowego z pomiarem poziomu hałasu zewnętrznego podczas postoju, a także emisji zanieczyszczeń oraz zadymienia spalin (dla silników ZS) [70]. Eksploatacja silników tłokowych stosowanych w pojazdach samochodowych jest określona przez producenta w instrukcjach użytkowania oraz serwisowych. Zakres czynności jest ustalony według harmonogramu uwzględniającego liczbę przejechanych kilometrów lub okres eksploatacji wyrażany w miesiącach, w zależności które z nich wystąpi pierwsze.

Przeglądy eksploatacyjne silnika nie są obowiązkowe – są tylko zalecane a ich wykonanie zależy od decyzji właściciela pojazdu. Obejmować ona mogą:

a) kontrolę stanu przy wykorzystaniu pokładowych systemów diagnostycznych, b) wymianę oleju smarującego i filtra,

c) kontrolę lub wymianę paska rozrządu, d) wymianę świec zapłonowych lub żarowych,

e) kontrolę lub wymianę pasków napędowych urządzeń pomocniczych (tzw.

osprzętu),

f) kontrolę układu zasilania paliwem, g) wymianę filtrów paliwa i powietrza,

h) kontrolę układu chłodzenia, uzupełnienie lub wymianę płynu, i) kontrolę poziomu oleju przekładniowego w skrzyni biegów.

Czas między przeglądami eksploatacyjnymi mogą ulegać zmianie i zależą od warunków użytkowania pojazdu. W przypadku statków powietrznych jest to niedopuszczalne, ponieważ instrukcja obsługi silnika tłokowego ściśle określa zakres czynności oraz czas po jakim należy je wykonać.

Przechodząc do porównania parametrów użytecznych silników tłokowych stosowanych w ultralekkich statkach powietrznych oraz w osobowych pojazdach samochodowych rozważyć należy różnice w układzie przeniesienia napędu. W statkach powietrznych napęd przekazywany jest bezpośrednio z wału korbowego silnika do śmigła lub stosowana jest w tym układzie przekładnia redukcyjna. W pojazdach samochodowych stosowane są bardziej rozbudowane układy przeniesienia napędu.

Silniki tłokowe przeznaczone do ultralekkich statków powietrznych posiadają przeważnie przeciwsobny układ cylindrów (typu bokser) i ich objętość skokowa zawiera się w przedziale 1,2–2,5 dm³ (tab. 3.2). Moc użyteczna natomiast wynosi 50–80 kW i jest rozwijana przy dwóch prędkościach obrotowych wału korbowego: 3000 i 6000 obr/min. W drugim przypadku konieczne jest zastosowanie przekładni redukcyjnej, aby nie przekraczać dopuszczalnej prędkości obrotowej śmigła.

Zastosowanie przeciwsobnego układu cylindrów ułatwia zabudowę silnika na płatowcu oraz powoduje pełne wyrównoważenie sił bezwładności, co eliminuje drgania przenoszone na konstrukcję statku powietrznego. W przypadku silników samochodowych przeważnie stosowany jest rzędowy układ cylindrów, który jest bardziej opłacalny w produkcji masowej. Masa silników ultralekkich statków powietrznych to zakres 70±15 kg i jej stosunek do masy samolotu wynosi minimalnie 0,09–0,14. Jest on zależny od rodzaju statku powietrznego i jego wyposażenia. Z uwagi na wymaganą jak najmniejszą masę silników w zastosowaniu do ultralekkich statków powietrznych, w konstrukcjach korpusu i głowicy, stosuje się wyłącznie stopy aluminium lub magnezu, natomiast w silnikach samochodowych są to przede wszystkim stopy aluminium. Kolejnym istotnym parametrem charakteryzującym pracę silnika jest objętościowy wskaźnik mocy. Dla ultralekkich statków powietrznych z bezpośrednim napędem śmigła mieści się on w zakresie 26–31 dm³/kW, a w układzie z przekładnią redukcyjną 49–55 dm³/kW. Różnice te są spowodowane wspomnianą dopuszczalną prędkością śmigła. Silniki stosowane w pojazdach samochodowych przyjmują wartość objętościowego wskaźnika mocy w przedziale 23–60 dm³/kW. Moc maksymalna tych silników występuje natomiast przy dużych prędkościach obrotowych wału korbowego. Biorąc pod uwagę te parametry oraz charakterystykę napędu śmigłowego, adaptując silnik tłokowy z pojazdu samochodowego do napędu ultralekkiego statku powietrznego konieczne jest zastosowanie reduktora lub modyfikacja przebiegu charakterystyki pełnej mocy [69, 70].

W lotnictwie GA do zasilania silników spalinowych wykorzystywane są trzy gatunki benzyny lotniczej Avgas oraz benzyna samochodowa (tab. 3.3). W ultralekkich statkach powietrznych silniki dostosowane są do zasilania standardowym paliwem wykorzystywanym w pojazdach samochodowych. Z tego względu możliwe jest

zastosowanie wielopunktowego układu wtryskowego MPI w silnikach przeznaczonych do omawianej grupy statków powietrznych [12].

Tab. 3.2. Charakterystyka wybranych silników tłokowych stosowanych w ultralekkich statkach powietrznych i pojazdach samochodowych [86]

Silnik Objętość skokowa [dm3] Układ cylindrów Liczba cylindrów Średnica tłoka [mm] Skok tłoka [mm] Moc użyteczna [kW] Maksymalny moment obrotowy [N·m] Objętościowy wskaźnik mocy [kW/dm3]

Ultralekkie statki powietrzne

Tab. 3.3. Gatunki benzyny stosowane w lotnictwie General Aviaton [59]

Parametr Benzyna

bezołowiowa 95

Benzyna bezołowiowa 98

Avgas 80

Avgas 100LL

Avgas 100 Liczba oktanowa badawcza

(RON) ≤ 95 ≤ 98 87 130 130

Liczba oktanowa motorowa

(MON) ≤ 85 ≤ 88 80 99,5 99,5

Gęstość [kg/m³] 720–775 690–790

Wartość opałowa [MJ/kg] 44 44,2

Wartość opałowa [MJ/l] 31,7 32

Temp. krystalizacji [°C]  –40  –46

Temp. zapłonu [°C] ≥ –10  0