Silniki tłokowe Silniki tłokowe Dr inż. Robert JAKUBOWSKI Podstawowe typy silnika tłokowego ze względu na zasadę działania Literatura przedmiotu: •Dzierżanowski P. i.in:Silniki Tłokowez serii Napędy lotnicze, WKŁ. Warszawa 1981 •BorodzikF.:Budowa silnikaz 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.WajandJ.: Silniki spalinowe małej mocy, WNT, Warszawa 1983
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 dwusuwowego
SUW W DÓŁ
SUW W GÓRĘ
Przepłukiwanie cylindra
Nowe koncepcje silnika dwusuwowego
Zasada pracy silnika Wankla
Silniki tłokowe
Obieg silnika tłokowego
V2
V1
V1 - objętość maksymalna
V2 - objętość minimalna
Vs = V1 − V2 - objętość skokowa
ε = V1 V2 - stopień sprężania
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
(cp, cv, 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
p
3
1-2 izentropowe spreżanie
2-3 izochoryczne doprowadzenie ciepła
3-4 izentropowe rozprężanie
4-1 izochoryczne odprowadzenie ciepła
2
Przybliżony model pracy silnika o
zapłonie iskrowym
4
1
V
Obiegi teoretyczne silnika
tłokowego – Obieg Diesla
Obieg Diesla
p
2
1-2 izentropowe spreżanie
2-3 izobaryczne doprowadzenie ciepła
3-4 izentropowe rozprężanie
4-1 izochoryczne odprowadzenie ciepła
3
4
1
V
Przybliżony model pracy pierwszych
silników o zapłonie samoczynnym
(sprężarkowych)
Obiegi teoretyczne silnika
tłokowego – Obieg Sabathe
Obieg Sabathe
p
3
1-2 izentropowe spreżanie
2-3 izobaryczne doprowadzenie ciepła
3-4 izochoryczne doprowadzenie ciepła
4-5 izentropowe rozprężanie
5-1 izochoryczne odprowadzenie ciepła
4
2
5
Przybliżony model pracy współczesnych
silników o zapłonie samoczynnym
1
V
Praca obiegu i sprawność cieplna
obiegu silnika
p
3
PRACA OBIEGU
4
lob = qdop − qodp
2
CEPŁO DOPROWADZONE
lob
qdop = q2−3 + q3− 4 = cv (T3 − T2 ) + c p (T4 − T3 )
CEPŁO ODPROWADZONE
5
qodp = q5−1 = cv (T5 − T1 )
1
V
SPRAWNOŚĆ CIEPLNA OBIEGU
qodp
lob
ηc =
= 1−
qdop
qdop
Sprawność obiegu jest tym większa im
większa jest praca obiegu uzyskiwanego
z tej samej ilości doprowadzonego ciepła
Uogólniony termodynamiczny obieg
silnika tłokowego
p
3
4
ε=
V1
V2
λp =
p3
p2
ρ=
V4
V2
Stopień wstępnego rozprężania podczas
doprowadzania ciepła przy p=const.
σ=
V5
V4
Stopień dalszego procesu rozprężania
ρ'=
V5
V1
Stopień wstępnego sprężania podczas
oddawania ciepła przy p=const.
2
5
1
6
V
oraz
ρ ' ε = σρ ⇔ ε σ = ρ ρ '
Stopień sprężania
Stopień wzrostu ciśnienia podczas
doprowadzania ciepła przy V=const.
Parametry termodynamiczne obiegu
porównawczego
ciśnienie
p
3
4
objętość
temperatura
p2 = p1ε k
T2 = T1ε k −1
p3 = p1ε k λ p
V3 = V2
T3 = T1ε k −1λ p
p4 = p3
2
V2 = V1 ε
V4 = V1 ρ ε
T4 = T1ε k −1λ p ρ
p5 = p1ε k λ p ρ k V5 = V1 σ '
V5 = V1 σρ ε
5
1
6
T5 = T1ε k −1λ p ρ σ k −1
p6 = p1
V6 = V1 σ '
V
oraz
ρ ' ε = σρ ⇔ ε σ = ρ ρ '
T6 = T1 ρ '
Praca obiegu
lob = qdop − qodp = cv (T3 − T2 ) + c p (T4 − T3 ) − cv (T5 − T6 ) + c p (T6 − T1 ) =
Po podstawieniu:
cv (T3 − T2 ) + k (T4 − T3 ) − cv (T5 − T6 ) + k (T6 − T1 )
k −1
k −1
σρ
ε
( λ p − 1) + k λ p ( ρ − 1) − λ p ρ +
lob = T1cv ε
( k − 1) − k
ε
σ
Dla obiegu Sabathe
p
3
4
ρ ' = 1 , ε = ρσ
{
}
lob = T1cv ε k −1 ( λ p − 1) + k λ p ( ρ − 1) − λ p ρ k − 1
Dla obiegu Otto
2
ρ ' = 1 , ρ = 1 ,ε = σ
lob = T1cv ( λ p − 1) ( ε k −1 − 1)
5
1
6
V
Dla obiegu Diesla ρ ' = 1 , λ p = 1 , ε = ρσ
{
}
lob = T1cv ε k −1 k ( ρ − 1) − ρ k − 1
Sprawność cieplna obiegu
k −1
ηob =
qodp
lob
= 1−
qdop
qdop
σρ
ε
λp ρ +
( k − 1) − k
ε
σ
= 1 − k −1
ε ( λ p − 1) + k λ p ( ρ − 1)
Dla obiegu Sabathe
ρ ' = 1 , ε = ρσ
p
3
4
ηob = 1 −
λp ρ k −1
ε k −1 ( λ p − 1) + k λ p ( ρ − 1)
Dla obiegu Otto
2
ηob = 1 −
5
1
1
ε k −1
Dla obiegu Diesla ρ ' = 1 , λ p = 1 , ε = ρσ
6
V
ρ ' = 1 , ρ = 1 ,ε = σ
ρ k −1
lob = 1 − k −1
ε k ( ρ − 1)
Średnie ciśnienie obiegu
p = lob
p1
εk
λ p − 1 + k λ p ( ρ − 1) ηob
Vs =
( k − 1) ( ερ '− 1)
Dla obiegu Sabathe
ρ ' = 1 , ε = ρσ
p
3
p1ε k
λ − 1 + k λ p ( ρ − 1) ηob
p=
( k − 1)( ε − 1) p
4
Dla obiegu Otto
2
ρ ' = 1 , ρ = 1 ,ε = σ
p1ε k
p=
( λ p − 1)ηob
k − 1)( ε − 1)
(
5
1
6
V
Dla obiegu Diesla ρ ' = 1 , λ p = 1 , ε = ρσ
p1ε k
p=
k ( ρ − 1)ηob
k − 1)( ε − 1)
(
Wpływ wybranych parametrów na
parametry obiegu
p
3
Parametry wyjściowe przyjęte do analizy
ε = 6, λ p = 2, ρ = 2, ρ ' = 1
4
2
5
1
6
V
Podsumowanie analizy obiegu
silnika porównawczego
• Najefektywniej można podnosić pracę obiegu silnika
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 sprawności cieplną
obiegu ma zwiększanie pracy obiegu poprzez izobaryczne
doprowadzanie ciepła
Określanie parametrów użytkowych
na podstawie analizy obiegu silnika
ŚREDNIE CIŚNIENIE OBIEGU
p
3
4
psr = Lob Vs = lob vs
MAKSYMALNE CIŚNIENIE OBIEGU
psr
2
p3 = λ p p2 = λ p p1ε k
λp =
qv
qv
+1 =
+1
k −1
cvT2
cvTaε
5
1
6
V
MAKSYMALNA TEMPERATURA OBIEGU
T4 = T1ε k −1λ p ρ
ρ=
qp
c pT3
+1 =
qp
c pTaε
λp
k −1
+1
Obieg teoretyczny silnika
doładowanego
p
3
4
Stopień sprężania w sprężarce:
ε spr = p1 pa
Całkowity stopień sprężania:
2
ε c = ε spr ε
5
1
Doła
dowa
nie
b
a
V
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
k ( ρλ p1 k − 1)
qodp
kcv (Tb − Ta )
lob
= 1−
= 1−
= 1 − k −1
ηob =
qdop
qdop
cv (T3 − T2 ) + kcv (T4 − T3 )
ε c ( λ p − 1) + k λ p ( ρ − 1)
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
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
Li = ∫ pdV = Ai a p av
Ciśnienie indykowane
pi
∫ pdV = L
=
i
Vs
Vs
Moc indykowana
Pi =
Li n
2
n[obr / s]
Moc efektywna
P = Pi − Pstr
Moment obrotowy
Mo = P ω
Zużycie paliwa
ZUŻYCIE PALIWA NA JEDEN CYKL PRACY SILNIKA
mpal = Qdop ηspalWu
Wu - wartość opałowa paliwa
ηspal - sprawność cieplna procesu spalania
SEKUNDOWE ZUŻYCIE PALIWA
mpal = mpal n
lub
mpal = mpal n 2
JEDNOSTKOWE ZUŻYCIE PALIWA
b j = mpal P
Fazy pracy rozrządu
otwarty zawór dolotowy
otwarty zawór wylotowy
zapłon
Źle dobrany zapłon silnika
zapłon zbyt wczesny
zapłon opóźniony
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.
Obieg silnika tłokowego czterosuwowego
doładowanego
3
p
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
2
Z
OZW
4
1
pa
V
p
ZZD
OZD
1
ZZW
pa
ZZ
ZW
V
Metody doładowania silnika
Porównanie wykresów obiegu silnika
Silnik bez doładowania
Silnik doładowany
Obieg silnika dwusuwowego
1-2 sprężanie z inicjacją procesu spalania
2-3 spalanie
3-4 suw pracy
4-1 przepłukiwanie cylindra
3
p
Praca indykowana
Li = ∫ pdV = Ai a p av
Ciśnienie indykowane
pi
∫ pdV = L
=
i
Vs
Vs
Moc indykowana
Pi = Li n
n[obr / s]
2
Moc efektywna
Z
4
P = Pi − Pstr
1
pa
GMP
DMP
V
Moment obrotowy
Mo = P ω
Charakterystyka zewnętrzna silnika
Charakterystyka dławiona silnika
Współpraca silnik śmigło
Dobór śmigła do silnika
Współpraca śmigła przestawianego z
silnikiem
β – kąt nastawienia śmigła
Charakterystyka śmigłowa
Moment obrotowy
M o = C1n 2
Moc
P = C2 n
3
C1 , C2 - stałe zależne
od śmigła i
kątów
ustawienia łopat
Charakterystyka silnika Asz 62
Charakterystyka ogólna silnika
Charakterystyka wysokościowa
Przeliczanie parametrów
pracy silnika na wysokości
p
PH = P0 1,11 H
p0
bj H =
T0
− 0,11
TH
bj0
1,11 − 0,11
p0
pH
TH
T0
Characterystyka wysokościowa
silnika doładowanego
Moc
Silnik niedoładowany
Moc przelotowa niezbędna na wysokości H
NH
Silnik doładowany
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:
K = ηsm
P
VH
Całkowity ciąg zespołu napędowego
wyraża się zależnością:
K Σ = K + ∆K
gdzie:
ciąg dodatkowy:
∆K = mspalVspal
Dla VH ≅ 500 km/h ciąg dodatkowy stanowi
istotny udział w ciągu całkowitym zespołu
napędowego w granicach 15..20% ciągu
całkowitego silnika
Zespoły i układy silnika tłokowego
• Karter
• Układ korbowy (cylindry, tłoki z pierścieniami,
korbowody, wał korbowy oraz elementy mocowania)
• Układ rozrządu
• Układ zasilania
• Układ smarowania
• Układ chłodzenia
• Układ zapłonowy
• Układ rozruchowy
Zespoły i układy silnika tłokowego
Karter silnika rzędowego
Karter silnika gwiazdowego
Cylinder
Tuleja cylindra
Głowica cylindra
Cylinder
(Świeca zapłonowa)
(Wtryskiwacz)
Prowadnica zaworu
Kolektor dolotowy
Kolektor wylotowy
Gniazdo zaworu rozrządu
Żebra odprowadzające ciepło
Gładź cylindra
Kołnierz oporowy
Tłok
Współpraca korbowód – tłok
Korbowód silnika rzędowego
Silnik jednorzędowy
Silnik dwurzędowy typu V
Korbowód silnika gwiazdowego
Korbowód główny
Korbowód przyczepny
Sworzeń korbowodu przyczepnego
Wał korbowy
Układ rozrządu
Układ z wałkiem rozrządu
(Silniki rzędowe)
Układ z tarczą krzywkową
(Silniki gwiazdowe)
Elementy układu rozrządu
wkręt regulacyjny
dźwignia zaworu
sprężyna
zaworu
zawór
drążek popychacza
popychacz
wałek rozrządu