Silniki tłokowe. Dr inż. Robert JAKUBOWSKI

Silniki tłokowe

Dr inż. Robert JAKUBOWSKI

Literatura przedmiotu:

• Dzierżanowski P. i.in: Silniki Tłokowe z serii Napędy lotnicze, WKŁ. Warszawa 1981

• Borodzik F.: Budowa silnika z serii Aeroklub polski szkolenie samolotowe, WKŁ Warszawa 1973

• Ambrozik A.:Wybrane zagadnienia procesów cieplnych w tłokowych silnikach spalinowych, Wyd. Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce 2003

• Cheda W., Malski M.: Techniczny poradnik lotniczy, Silniki, WKŁ, Warszawa 1984

• Wender J. Wajand J.: Silniki spalinowe małej mocy, WNT, Warszawa 1983

Podstawowe typy silnika tłokowego ze względu na zasadę działania

• Silnik czterosuwowy

• Silnik dwusuwowy

• Silnik z wirującym tłokiem silnik Wankla

Zasada pracy silnika czterosuwowego

Zasada pracy silnika czterosuwowego

Zasada pracy silnika dwusuwowego

SUW W DÓŁ SUW W GÓRĘ

Zasada pracy silnika dwusuwowego

Zasada pracy silnika dwusuwowego

dwusuw.gif

Przepłukiwanie cylindra

Nowe koncepcje silnika dwusuwowego

Zasada pracy silnika Wankla

Zasada pracy silnika Wankla

Silniki tłokowe

Obieg silnika tłokowego

V₂ V₁

- objętość maksymalna - objętość minimalna - objętość skokowa - stopień sprężania

1 2

1 2

1 2

s

V V V V V

 V V

 



Procesy w silniku spalinowym są bardzo złożone, albowiem w trakcie pracy silnika

mamy do czynienia z szeregiem zjawisk, które są trudne do opisania w formie

prostych formuł matematycznych dających możliwość szybkiego rozwiązania oraz

łatwej interpretacji.

Dlatego na etapie opracowywania nowych konstrukcji, jak i doskonalenia już

istniejących powszechnie wykorzystuje się uproszczone modele obiegu pracy silnika

tłokowego.

Obiegi silnika

• Teoretyczny – jest wzorcem przedstawiającym przy pomocy przemian idealnych obieg energii w silniku. Czynnik

roboczy opisany jest za pomocą modelu gazu doskonałego (Carnota, Joula, Brytona, Otto)

• Porównawczy - obieg bardziej dostosowany ze względu na analizę silników spalinowych, wykorzystujący opis

zachodzących przemian jako odwracalne, przy czym model czynnika roboczego traktuje się jako gaz półdoskonały lub rzeczywisty oraz uwzględnia się suwy wymiany ładunku

• Rzeczywisty – ujmujący najpełniej ogół zjawisk występujących w silniku, bazujący na możliwie jak najdokładniejszym opisie rzeczywistych zjawisk

zachodzących w silniku spalinowym. Obieg można otrzymać na podstawie wykresu indykatorowego

Obieg teoretyczny

• Przemiany w obiegu są przemianami odwracalnymi

• Czynnik roboczy jest traktowany jako gaz idealny (c

, c

, k, R – stałe)

• Pomija się zmianę ilości czynnika w obiegu

• Proces spalania traktuje się jako równoważny mu proces doprowadzenia ciepła

• Proces wymiany ładunku przyjmuje się jako

proces odprowadzenia ciepła z układu

Obiegi teoretyczne silnika tłokowego – Obieg Otto

Obieg Otto

1-2 izentropowe spreżanie

2-3 izochoryczne doprowadzenie ciepła 3-4 izentropowe rozprężanie

4-1 izochoryczne odprowadzenie ciepła

Przybliżony model pracy silnika o zapłonie iskrowym

1 4 2

V p

3

Obiegi teoretyczne silnika tłokowego – Obieg Diesla

Obieg Diesla

1-2 izentropowe spreżanie

2-3 izobaryczne doprowadzenie ciepła 3-4 izentropowe rozprężanie

4-1 izochoryczne odprowadzenie ciepła

Przybliżony model pracy wolnossącego silnika o zapłonie samoczynnym

1 4 2

V p

3

Obiegi teoretyczne silnika tłokowego – Obieg Sabathe

Obieg Sabathe

1-2 izentropowe sprężanie

2-3 izochoryczne doprowadzenie ciepła 3-4 izobaryczne doprowadzenie ciepła 4-5 izentropowe rozprężanie

5-1 izochoryczne odprowadzenie ciepła

Przybliżony model pracy współczesnych silników o zapłonie samoczynnym

1 5 2

V p

3 4

Praca obiegu i sprawność cieplna obiegu silnika

1 5 2

V p

3 4 PRACA OBIEGU

ob dop odp

l  q q

CEPŁO DOPROWADZONE

   

2 3 3 4 3 2 4 3

dop v p

q  q _  q _  c T T c T T

CEPŁO ODPROWADZONE

 

5 1 5 1

odp v

q  q _  c T T

SPRAWNOŚĆ CIEPLNA OBIEGU

1 ^odp

ob c

dop dop

l q

q q

   

l_ob

Sprawność obiegu jest tym większa im większa jest praca obiegu uzyskiwanego z tej samej ilości doprowadzonego ciepła

Uogólniony termodynamiczny obieg silnika tłokowego

1 2

V

  V Stopień sprężania

3 2 p

p

  p Stopień wzrostu ciśnienia podczas doprowadzania ciepła przy V=const.

4 2

V

  V Stopień wstępnego rozprężania podczas doprowadzania ciepła przy p=const.

5 4

V

  V Stopień dalszego procesu rozprężania

5 1

' V

  V Stopień wstępnego sprężania podczas oddawania ciepła przy p=const.

oraz

' '

      

1 6

5 2

V p

3 4

Określanie parametrów użytkowych na podstawie analizy obiegu silnika

sr ob s ob s

p  L V  l v

ŚREDNIE CIŚNIENIE OBIEGU

1 6

5 2

V

sr

p

p

3 4

3 2 1

k

p p

p   p   p

MAKSYMALNE CIŚNIENIE OBIEGU

1 2

1 1

v v

p k

v v a

q q

c T c T

 ^{  }  ^{ }

1

4 1

k

T T  ^ p

MAKSYMALNA TEMPERATURA OBIEGU

1 3

1 1

p p

k

p p a p

q q

c T c T

 ^{  }  ^{ }

Parametry termodynamiczne obiegu porównawczego

2 1

p  p k

oraz

' '

      

1 6

5 2

V p

3 4

2 1

V V  _T2 _T1^k1

3 1

k

p  p p V3 V2 T₃ T₁ ^k1 _p

4 3

p  p V₄ V₁   T₄ T₁  ^k1 _p

5 1

k k

p  p  p

5 1 '

V V  T₅ T₁   ^k1 _p ^k1

5 1

V V  

6 1

p  p V₆ V₁  ' T₆ T₁' ciśnienie objętość temperatura

Praca obiegu

       

       

3 2 4 3 5 6 6 1

3 2 4 3 5 6 6 1

ob dop odp v p v p

v v

l q q c T T c T T c T T c T T

c T T k T T c T T k T T

 

           

      

   

   

  ^{  1  }

1

1 1 1 1

k k

ob v p p p

l T c   k      k k

 



   

     

             

Po podstawieniu:

1 6

5 2

V p

3 4

Dla obiegu Sabathe

  ^{ }





1 ^k 1 1 ^k 1

ob v p p p

l T c  ^{ }   k        ' 1 ,

   

Dla obiegu Otto

  ¹ 

1 1 ^k 1

ob v p

l T c    ^ 

' 1 , 1 ,

     

Dla obiegu Diesla

 





1 ^k 1 ^k 1

ob v

l T c  ^ k      ' 1 , _p 1 ,

     

Sprawność cieplna obiegu

 

 

1

1

1

1 1

1 1

k

p ob odp

ob k

dop dop p p

k k

l q

q q k

 

   

    





    

  

    

    

 

1 6

5 2

V p

3 4

Dla obiegu Sabathe

  ^{ }

1

1 1

1 1

k p

ob k

p k p

  

 ^   

  

    

 

' 1 ,

   

Dla obiegu Otto

1

1 1

ob k

 ^{ } ^

' 1 , 1 ,

     

Dla obiegu Diesla

 

1

1 1

1

k

ob k

l k



 ^ 

  



 

 

' 1 , _p 1 ,

     

Średnie ciśnienie obiegu



  





1 ' 1

k

ob s p p ob

p l V p k

k

    

 ^{ }

        

1 6

5 2

V p

3 4

Dla obiegu Sabathe

 ¹  ¹  ¹

1 1

k

p p ob

p p k

k

    

 ^{ }

       

' 1 ,

   

Dla obiegu Otto ' 1 ,  1 , 

Dla obiegu Diesla ' 1 , _p 1 , 

 ¹  ¹

1 1

k

p ob

p p k

  

  

 

 ¹   ¹

1 1

k

ob

p p k

k

  

  

 

Wpływ wybranych parametrów na parametry obiegu

6, _p 2, 2, ' 1

       

1 6

5 2

V p

3 4

Parametry wyjściowe przyjęte do analizy

Podsumowanie analizy obiegu silnika porównawczego

• Najkorzystniej pracę obiegu silnika można podnosić poprzez zwiększanie ilości ciepła dostarczonego w procesie izochorycznym a następnie w procesie izobarycznym

• Na podnoszenie sprawności cieplnej silnika (zmniejszanie zużycia paliwa) wpływa podnoszenie stopnia sprężania w silniku

• Stosunkowo niekorzystny wpływ na sprawność cieplną obiegu ma zwiększanie pracy obiegu poprzez izobaryczne doprowadzanie ciepła

Obieg teoretyczny silnika doładowanego

1

spr p pa

 

c spr

   

Stopień sprężania w sprężarce:

Całkowity stopień sprężania:

1 5

b a

2

V p

3 4

Doładowanie

 

   

 

 

1

1

3 2 4 3

1 1 1 1

1 1

k

odp v b a p

ob

ob k

dop dop v v c p p

q kc T T k

l

q q c T T kc T T k

 

 ^   

 

      

       

Zastosowanie doładowania zwiększa ciśnienie maksymalne w obiegu a także podnosi temperatury obiegu. W

odniesieniu do silnika bez doładowania zwiększa sprawność obiegu poprzez zwiększenie całkowitego stopnia sprężania

Obieg rzeczywisty silnika czterosuwowego

• Procesy zachodzące podczas pracy silnika nie są odwracalne

• Doprowadzenie ciepła odbywa się poprzez spalanie, a nie doprowadzenie ciepła,

• W silniku rzeczywistym uwzględnia się wymianę ciepła między ładunkiem, a ściankami silnika,

• Uwzględnia się straty przepływowe występujące w trakcie napełniania i opróżniania cylindra,

• W cylindrze po zakończeniu wydechu

pozostaje pewna ilość spalin, stąd w czasie pracy silnika czynnik roboczy jest

mieszanką świeżego ładunku i pozostałych spalin

• Ilość czynnika roboczego biorąca udział w obiegu jest zmienna

1

1 4 2

GMP DMP V

V

pa

p p

3

I +

ZZW

OZW

OZD

ZZD

Obieg silnika tłokowego czterosuwowego niedoładowanego

1-2 sprężanie z inicjacją procesu spalania 2-3 spalanie

3-4 suw pracy

OZW-ZZW – usuwanie produktów spalania z komory cylindra OZD-ZZD – napełniane cylindra świeżym

ładunkiem

Praca indykowana

i i p v

L 



Moc indykowana

2

i i

P  L n

Moc efektywna

i str

P  P P

Moment obrotowy

Mo  P 

[ / ] n obr s

Ciśnienie indykowane

i i

s s

pdV L p 



1

1 4 2

GMP DMP V

V

pa

p p

3

I +

ZZW

OZW

OZD

ZZD

Obieg silnika tłokowego czterosuwowego doładowanego

1-2 sprężanie z inicjacją procesu spalania 2-3 spalanie

3-4 suw pracy

OZW-ZZW – usuwanie produktów spalania z komory cylindra OZD-ZZD – napełniane cylindra świeżym

ładunkiem przy ciśnieniu wyższym od atmosferycznego

1

1 4 2

V V

pa

pa

p

p 3

Z

OZD

OZW

ZZW

ZZD

GMP DMP

+

+

Metody doładowania silnika

Porównanie wykresów obiegu silnika

Silnik bez doładowania Silnik doładowany

Obieg silnika dwusuwowego

1 4 2

GMP DMP V

pa

p 3

Z

Praca indykowana

i i p v

L 



Moc indykowana

Moc efektywna

i str

P  P P

Moment obrotowy

Mo  P 

i i

P  L n n obr s[ / ]

Ciśnienie indykowane

i i

s s

pdV L p 



1-2 sprężanie z inicjacją procesu spalania 2-3 spalanie

3-4 suw pracy

4-1 przepłukiwanie cylindra

Zużycie paliwa

pal dop spal u

m Q  W

Wu - wartość opałowa paliwa

spal - sprawność cieplna procesu spalania

pal pal

m  m n

SEKUNDOWE ZUŻYCIE PALIWA

ZUŻYCIE PALIWA NA JEDEN CYKL PRACY SILNIKA

pal pal 2 m  m n

lub

j pal

b  m P

JEDNOSTKOWE ZUŻYCIE PALIWA

SILNIK CZTEROSUWOWY

Wykres pracy obiegu silnika, a kąt obrotu wału korbowego

 

cos 2 sin

x   R L R   L  R 

 

1 cos 1 1 sin

x R    



 

      

Po wyłączeniu R i oznaczeniu przez ^R

  L

 ^{2 2sin2}

1 sin 1

2

 

 

  

Z dwumianu Newtona po odrzuceniu wyrazów o mniejszym znaczeniu

2 1 cos 2

sin 2

  ^ 

oraz

 

1 cos 1 cos 2 x  R^    4   ^

 

2 2 1 cos 1 cos 2

2 2 4

s s

V V

V V x V

R

  

 

        

Gdzie:

2 GMP

V V

OBIEG SILNIKA CZTEROSUWOWEGO – ANALIZA PROCESÓW

Suw ssania

1

GMP DMP

V p0

p1

ks s

p

OZD

ZZD

V V

Na końcu suwu:

1 pow r sp_

m  m m

_ pow r sp

m m





masa zassanego powietrza

_ _

_

_ _

r sp r sp r sp

r sp r sp

p V

m  R T ⁰

0 0 s

pow v

m p V

 R T



v  współczynnik napełniania

Przyjmując: ^R_{r sp_} ^{ R}₀ ^{ R} Vr sp_ Vks

 

1

1 0

0

0 _

_

v 1 r sp

r sp

T p T

p T p

T



 



 

  0 0  _ 0 1

0

v 1 p T T pr spT

p T

 



   



TEMPERATURA CIŚNIENIE

 T przyrost temperatury zasysanego ładunku w wyniku ogrzewania od ścianek silnika

15 50

T K

     T 10 30K

silnik z ZI: silnik z ZS:

masa pozostałych spalin

Współczynnik napełniania

_ V mpow mpow t

 

0 _

0 0 s pow t

m p V

 R T  masa ładunku, który przy ciśnieniu i temperaturze dostarczanego czynnika wypełniłby całą pojemność skokową cylindra

Straty napełniania wiążą się:

 z oporem przepływu na kolektorze dolotowym, na zaworze ssącym oraz na filtrze powietrza itp.

 pozostała reszta spalin w cylindrze o wyższej temperaturze i ciśnieniu rozpręża się w początkowym okresie napełniania obniżając skuteczność napełniania

 ogrzewanie się napływającego ładunku od ścianek cylindra zmniejsza gęstość, a przez to i ilość napływającego ładunku

0, 5 0,85

V  

0, 75 0,9

V   0,9 0,98

V  

- silniki gaźnikowe z ZI - silniki wolnossące z ZS - silniki doładowane z ZS

Parametry termodynamiczne strumienia na końcu procesu zasysania

Rodzaj silnika Ciśnienie [MPa] Temperatura [K]

ZI 0,07-0,09 350-400

ZS wolnossący 0,075-0,095 300-360 ZS doładowany 0,92-0,98 p_d 370-450

OBIEG SILNIKA CZTEROSUWOWEGO PROCES SPRĘŻANIA

W wyniku zjawisk rzeczywistych występujących w procesie sprężania odbiega on od procesu izentropowego, a przybliżyć go można przemianą politropową o wykładniku politropy n=1,3-1,38

2 1

p  p n

2 1

V V 

1

2 1

T Tn^

ciśnienie

objętość temperatura

Rodzaj silnika Stopień sprężania

Ciśnienie [MPa]

Temperatura [K]

ZI 6-8 0,6-1,5 500-700

ZS 12-22 3-4,5 750-950

PROCES SPALANIA W SILNIKU

Spalanie w silniku zależy od:

• właściwego odparowania kropel paliwa i wymieszania z powietrzem

• stosunku ilości paliwa do ilości powietrza (tlenu) potrzebnego do procesu spalania

• prędkość spalania zależy od właściwości paliwa (np. dodatków katalitycznych), dobrego przemieszania mieszaniny (zawirowanie strumienia w komorze spalania) itp.

- teoretyczne zapotrzebowanie powietrza do spalenia 1 kg paliwa Lt

- współczynnik nadmiaru powietrza

t

L

  L

Nazwa paliwa Olej napędowy Benzyna Nafta lotnicza

[kg pow/kg pal] 13,9-14,9 14-15 14,6

Lt

Granica zapłonności paliwa

• Stechiometryczny skład mieszanki – λ=1

• Mieszanka bogata – λ<1

• Mieszanka uboga – λ>1

Paliwo Granica zapalności dolna λ górna λ

benzyna 0,50 1,30

olej napędowy 0,48 1,35

wodór 0,5 10,5

OBIEG SILNIKA CZTEROSUWOWEGO PROCES SPALANIA

T

p

Kąt OWK GMP

I II III

I – spalanie wstępne II – spalanie właściwe III – dopalanie

Silnik z gaźnikiem lub wtryskiem do kolektora dolotowego

Zależność temperatury i ciśnienia w funkcji kąta OWK

OBIEG SILNIKA CZTEROSUWOWEGO PROCES SPALANIA

I – okres opóźnienia samozapłonu

II – okres powstawania rozprzestrzeniania się ognisk samozapłonu

III – okres spalania paliwa bezpośrednio po wyjściu z wtryskiwacza

IV – okres dopalania podczas suwu rozprężania (niepożądany)

Silnik z wtryskiem do komory spalania

Zależność ciśnienia w funkcji kąta OWK

p

Kąt OWK GMP

I II III IV

początek wtrysku

samoczynny zapłon

okres wtrysku

OBIEG SILNIKA CZTEROSUWOWEGO PROCES SPALANIA – BILANS ENERGII

Energia czynnika w KS + energia wydzielona ze spalonego paliwa

= energia na końcu procesu spalania

   

2 4

3 3 2 2 4 4 3 3

dop

v p pal spal u

U Q pdV U

c m T m T c m T m T m



  

    



Dla spalania niezupełnego np. gdy <1 (mieszanka bogata)





u u zupenego spal u

W  W  W

 

0, 404 1

u CO t

W W  L

   ₁₀₂₀₀

WCO 

gdzie kJ/kg

gdzie:

3 2 pal V const_

m  m  m _ m₄  m₃  m_{pal_ p const}

OBIEG SILNIKA CZTEROSUWOWEGO PROCES ROZPRĘŻANIA

W wyniku zjawisk rzeczywistych występujących w procesie rozprężania odbiega on od procesu izentropowego, a przybliżyć go można podobnie jak w przypadku sprężania przemianą politropową

4 5 n r_

p p

 

5 4

V V 

4 5 n r_ 1

T T

 ^



ciśnienie

objętość temperatura

dla silników z ZI:

n_r=1,25-1,34 dla silników z ZS:

n_r=1,18-1,28 dla silników z ZS doładowanych:

n_r=1,22-1.32

Wartości wykładnika politropy rozprężania

OBIEG SILNIKA CZTEROSUWOWEGO – ANALIZA PROCESÓW

Suw wydechu

Współczynnik zanieczyszczenia spalinami

_ r sp Z

pow

m

  m  1^_ _

r sp o z

v o r sp

p T

 p T

 

 _z 0, 2 0, 6

_ 900 1300

Tr sp   K T_{r sp_} 700 1000 K

silnik z ZI: silnik z ZS:

1

GMP DMP

V p0

p1

ks s

p OZW

ZZW

V V

kąt OWK

OZW ZZW

GMP DMP

p p

H

wypływ nadkrytyczny

wypływ podkrytyczny

Fazy pracy rozrządu

zapłon

Źle dobrany zapłon silnika

zapłon opóźniony zapłon zbyt wczesny

Spalanie stukowe

Lokalnie w silniku dochodzi do samozapłonu mieszanki, co

powoduje lokalny impulsowy wzrost ciśnienia i temperatury.

Proces ten jest

niekontrolowany i niepożądany - występuje gdy paliwo ma

zbyt małą liczbę oktanową, a stopień sprężania jest zbyt duży.

Charakterystyka zewnętrzna silnika

Charakterystyka dławiona silnika

Współpraca silnik śmigło

Dobór śmigła do silnika

n P

Śmigło lekkie Śmigło ciężkie

Śmigło normalne

Współpraca śmigła przestawianego z silnikiem

b – kąt nastawienia śmigła

Charakterystyka śmigłowa

Moment obrotowy

2 1

M

 C n

3

P  C n

Moc

1, 2

C C - stałe zależne od śmigła i kątów

ustawienia łopat

Charakterystyka silnika Asz 62

Charakterystyka ogólna silnika

Charakterystyka wysokościowa

Przeliczanie parametrów pracy silnika na wysokości

0 0

0

1,11 ^H 0,11

H

H

T P P p

p T

 

   

 

0

0

0

1,11 0,11

j j H

H H

b b

p T

p T





Characterystyka wysokościowa silnika doładowanego

Moc

H Silnik niedoładowany

Silnik doładowany

Moc przelotowa niezbędna na wysokości H

N_H Moc

H Silnik niedoładowany

Silnik doładowany

Moc przelotowa niezbędna na wysokości H

N_H

Charakterystyka prędkościowa silnika

W silnikach tłokowych przyrost prędkości lotu nieznacznie wpływa na moc silnika niedoładowanego powodując jej wzrost (dla V=400 km/h zwiększenie mocy wynosi ok. 6%), natomiast nie powoduje zmian mocy silnika doładowanego o stałym ciśnieniu ładowania w danym zakresie prędkości. Jednostkowe zużycie paliwa pozostaje przy tym na praktycznie stałym poziomie.

Natomiast ciąg wytwarzany przez śmigło istotnie zależy od prędkości zgodnie z zależnością:

sm H

K P

 V



K_  K  K

gdzie:

ciąg dodatkowy:  K m_spalV_spal

Dla km/h ciąg dodatkowy stanowi istotny udział w ciągu całkowitym zespołu napędowego w granicach 15..20% ciągu całkowitego silnika

H 500 V 

Całkowity ciąg zespołu napędowego wyraża się zależnością: