PZM – Motoryzacja

Możliwości sterowania

Z warunku dwukrotnej zmiany natężenia wzbudzającego pola magnetycznego niezbędnego dla generacji impulsu przez czujnik Wieganda wynikają następujące możliwości sterowania: – przemieszczanie drutu Wieganda w polu magnetycznym, przy czym cewka zamocowana jest w punkcie wyzwalania, – zmiana natężenia pola magnetycznego za pomocą ferromagnetycznego nabiegunnika lub przesłony. Magnesy i drut Wieganda są nieruchome. Tego typu rozwiązanie zastosowali specjaliści firmy ECHL1N/ /USA do sterowania urządzeniem zapłonowym. Czujniki fotoelektryczne były stosunkowo mało popularne ze względu na małą niezawodność żarówki. Dopiero opracowanie diod elektroluminescencyjnych stworzyło przesłanki do produkcji tego typu czujników. Czujnik fotoelektryczny, nazywany obecnie częściej optoelektronicznym, pracuje na zasadzie przerywania strumienia światła przez nieprzezroczystą przesłonę. Kształt tej przesłony określa czas trwania impulsów na wyjściu czujnika, toteż czujnik optoelektroniczny chętnie .stosuje się w tranzystorowych układach zapłonowych. Prosty w konstrukcji czujnik optoelektroniczny odznacza się bardzo dobrymi parametrami. Moment przeskoku iskry w układzie zapłonowym sterowanym czujnikiem optoelektrycznym nie zależy od przesunięć osiowych i promieniowych przesłony.

Czujniki indukcyjnościowe

Bogatą historię rozwoju mają czujniki indukcyjnościowe, od 1965 r. stosowane często w wielu konstrukcjach głównie ze względu na niezależność amplitudy sygnału od zmian prędkości obrotowej. W firmie LUCAS opracowano kilka typów czujników indukcyjnościowych w wersji transformatorowej pod wspólną nazwą OPUS (Oscillating Pick-Up-System). Głównym elementem systemu OPUS 1 jest generator tranzystorowy o sprzężeniu indukcyjnym zbudowany na tranzystorze Tl. Na prostokątnym rdzeniu ferrytowym ze szczeliną jest nawinięty transformator sprzęgający Tr. W szczelinie rdzenia 2 wiruje kurek metalowy z wycięciami. Sprzężenie zwrotne pomiędzy cewkami Lj i L2 dobrano w taki sposób, że wzbudzenie drgań występuje w chwili, gdy w szczelinie rdzenia znajdzie się wycięcie 5 wirującego kubka. System OPUS 1 jest mniej wrażliwy na bicie promieniowe wałka aparatu zapłonowego niż czujnik reluktancyjny, jednakże i w tym przypadku występuje opóźnienie sygnału wyjściowego przy wzroście prędkości obrotowej. Wpływ przesunięć osiowych wałka aparatu zapłonowego jest nadal duży. Ze względu na opóźnienie sygnału wyjściowego maksymalna częstotliwość iskrzenia układu zapłonowego z czujnikiem OPUS 1 jest ograniczana do 400 iskier/s.

Zwiększone tarcie

Zwiększone tarcie w silniku występujące w czasie rozruchu w niskich temperaturach i podczas rozgrzewania może powodować nierównomierną pracę na biegu jałowym. Dlatego w celu zwiększenia mocy silnika, potrzebnej na pokrycie strat tarcia, jest konieczne zwiększenie napełnienia cylindrów powietrzem. Przy częściowym otwarciu przepustnicy skład mieszanki jest tak dobrany, aby uzyskać jak najmniejsze zużycie paliwa i ograniczyć toksyczność spalin. Określona testem toksyczność spalin zależy głównie od dokładności dawkowania paliwa w tym najczęstszym stanie pracy silnika. Natomiast przy całkowitym otwarciu przepustnicy skład mieszanki dobiera się pod kątem maksymalnej mocy. Dlatego w niektórych urządzeniach wtryskowych (reagujących na ciśnienie w kanale wlotowym) stosuje się układ wzbogacający mieszankę przy pełnym otwarciu przepustnicy. Ponieważ ciśnienie w organie pomiarowym czujnika ustala się z pewnym opóźnieniem, niezbędny więc jest dodatkowy czujnik informujący o nagłym otwieraniu przepustnicy. W czasie hamowania silnikiem przepustnica jest zamknięta i silnik, napędzany przez koła pojazdu, ma większą prędkość obrotową niż na biegu jałowym. W silniku gaźnikowym cylindry są zasilane mieszanką przez cały okres hamowania. Powoduje to nadmierne wzbogacenie mieszanki, nawet powyżej granicy zapalności, i wskutek tego bardzo duży wzrost zawartości szkodliwych składników w spalinach.

Zmniejszenie toksyczności spalin

Istnieje kilka możliwości zmniejszenia toksyczności spalin drogą oddziaływania na skład mieszanki. Jedna z metod polega na zasilaniu silnika mieszanką zubożoną. Powoduje to obniżenie zawartości tlenków azotu, lecz równocześnie wzrasta poziom węglowodorów. Zawarte w spalinach węglowodory wraz z pozostałościami tlenku węgla (CO) zostają całkowicie spalone w dopalaczu. Wymagania dotyczące precyzji dawkowania paliwa są duże, bowiem silnik jest zasilany mieszanką bardzo ubogą, w pewnych warunkach zbliżoną do granicy zapalności. Dlatego trzeba zastosować zasilanie wtryskowe. Niestety, nie istnieje korzystny kompromis pomiędzy zawartością tlenku azotu a parametrami silnika. Silnik zasilany zubożoną mieszanką rozwija mniejszą moc, a zużycie paliwa jest większe. Opisane rozwiązanie zapewniało spełnienie norm sanitarnych USA do roku 1975 włącznie. W innym systemie stosuje się zasilanie silnika mieszanką bogatą. W tym zakresie zawartość tlenku azotu jest również stosunkowo niewielka. W celu obniżenia zwiększonej emisji węglowodorów i CO wprowadzono dopalacz katalityczny w układzie wydechowym. Podstawową wadą tego rozwiązania jest wzrost zużycia paliwa, nawet do 30%, a do tego producenci samochodów nie mogą dopuścić.

Kontaktron

Równocześnie z impulsem włączającym przepływ prądu przez uzwojenie pierwotne cewki zapłonowej mikroprocesor podaje impuls włączający uzwojenie odpowiedniego kontaktronu. W silniku 4-cylindrowym stosuje się zwykle kolejność zapłonów 1, 3, 2, 4. W momencie generacji impulsu wysokiego napięcia styki kontaktronu są zwarte – nie ma straty energii na przeskok iskry i układ nie emituje zakłóceń elektromagnetycznych. Firma AUSTIN przewiduje trwałość układu kontaktronów rzędu 500 tys. mil. W przypadku uszkodzenia kontaktronu przestaje pracować tylko jeden cylinder. Wyeliminowanie rozdzielacza możliwe jest przez zastosowanie szeregowego połączenia świec zapłonowych. W takim układzie końce uzwojenia wtórnego odizolowane są od potencjału masy i połączone do świec zapłonowych. Energia impulsu wysokiego napięcia rozkłada się jednakże na dwa cylindry: w jednym powoduje zapłon mieszanki w suwie sprężania, a w drugim przeskok iskry następuje w czasie wydechu. W przedstawionym rozwiązaniu wzrastają wymagania odnośnie wartości wysokiego napięcia generowanego przez układ zapłonowy, bowiem różne są polaryzacje elektrod świec. Podwójna częstotliwość iskrzenia powoduje przyspieszone zużycie elektrod. W układzie uszkodzenie w jednym ze stopni końcowych powoduje wyłączenie 2 cylindrów.

Wpływ składu mieszanki na pracę silnika

Wzrost zanieczyszczenia powietrza, szczególnie dotkliwy w wielkich miastach, spowodował rozpoczęcie prac nad sposobami zmniejszenia toksyczności spalin wydzielanych przez silnik samochodowy. W wielu krajach istnieją normy sanitarne ograniczające emisję spalin. Spełnienie narzuconych warunków sanitarnych możliwe jest tylko przy bardzo precyzyjnym dawkowaniu mieszanki paliwowo-powietrznej podawanej do cylindrów silnika, w zależności od chwilowego stanu pracy silnika i parametrów zewnętrznych. Parametry zewnętrzne, np. temperatura otoczenia czy wilgotność powietrza (od których w znacznym stopniu zależy przebieg spalania, a więc i emisja spalin), odgrywają rolę tzw. wielkości korekcyjnych, wpływających na wielkość dawki paliwa. Precyzja dawkowania paliwa w istotny sposób zależy od rodzaju układu zasilania paliwem. W gaźniku ilość paliwa dostarczanego w jednostce czasu do cylindrów zależy od różnicy ciśnień paliwa w przewodzie doprowadzającym do dyszy paliwa i powietrza w okolicy rozpylacza. Dlatego też wylot rozpylacza jest umieszczony zawsze w najmniejszym przekroju kanału dolotowego gaźnika – w tak zwanej. gardzieli. Z fizycznego punktu widzenia spełnia ona rolę dyszy Venturiego.

Możliwości

Różnice pomiędzy pracą silnika z zasilaniem gaźnikowym i z zasilaniem wtryskowym są szczególnie istotne w stanach przejściowych, takich jak gwałtowne przyspieszenie lub hamowanie silnikiem. Zastosowanie urządzenia wtryskowego sterowanego elektronicznie umożliwia: – zwiększenie mocy P uzyskiwanej z danej pojemności skokowej o około 2O% w porównaniu z zasilaniem gaźnikowym, – zwiększenie momentu obrotowego M, zwłaszcza w zakresie małych prędkości obrotowych silnika, – zmniejszenie zużycia paliwa, – poprawę elastyczności silnika dzięki spłaszczeniu krzywej momentu obrotowego M, – duże zmniejszenie toksyczności spalin. Najważniejsze zalety układu wtryskowego ze sterowaniem elektronicznym to przede wszystkim szybkość działania, precyzja regulacji, łatwość dopasowania do różnych stanów pracy silnika, łatwość zmiany obranego programu dawkowania paliwa i możliwość uwzględnienia dużej liczby parametrów sterujących. Z punktu widzenia konstruktora silnika zastosowanie wtrysku paliwa oznacza złagodzenie ograniczeń obowiązujących zwykle przy projektowaniu, np. umożliwia optymalne ukształtowanie kanałów dolotowych. Oczywiście, tych „złagodzonych ograniczeń” jest znacznie więcej, ale nie warto ich przytaczać.

Dalszy rozwój silników spalinowych

Silnik spalinowy nie osiągnął jeszcze granic rozwoju. W wielu przypadkach poprawę parametrów trakcyjno-ekonomicznych i zmniejszenie toksyczności można uzyskać środkami mechanicznymi; np. przez zmianę konstrukcji komory spalania, uwarstwienie ładunku itp. Środki te są szczególnie korzystne w połączeniu z zasilaniem wtryskowym. Zasilanie wtryskowe stosowano dotąd głównie w samochodach osobowych o większych pojemnościach silnika, a więc oczywiście droższych. Spowodowane to było istniejącą do dziś dużą różnicą cen elektronicznego urządzenia wtryskowego i gaźnika. W ostatnich latach różnica ta uległa znacznemu zmniejszeniu, głównie wskutek opracowania prostszych sposobów sterowania oraz zastosowania układów scalonych w bloku elektronicznym. Dzięki temu udało się uprościć strukturę układu, zmniejszyć wymagania odnośnie dokładności pomiaru niektórych parametrów sterujących i ograniczyć liczbę elementów. Według prognoz firmy BOSCH do roku 1988 technika cyfrowa całkowicie wyprze układy analogowe z urządzeń wtryskowych. Ale obserwując tempo rozwoju techniki i przekładając te obserwacje na prognozy, można przypuszczać, że i ta zostanie jeszcze udoskonalona, a może i zastąpiona – choć w tej chwili to tylko marzenia konstruktorów.

Zasada działania układu zasilania wtryskowego

Zasilanie wtryskowe, powszechnie stosowane w silnikach z zapłonem samoczynnym, w ostatnich dziesięcioleciach wielokrotnie próbowano zastosować do silników z zapłonem iskrowym. W początkowym okresie rozwoju urządzeń wtryskowych stosowano wyłącznie układy wtryskowe z mechanicznym sterowaniem dawki paliwa. W celu poznania zagadnień związanych ze sterowaniem mechanicznym omówimy jedno ze sprawdzonych w praktyce rozwiązań. Dawka paliwa jest określona skokiem tłoczka pompy wtryskowej. W układzie zależy ona od przesunięcia dźwigni regulacyjnej – a więc od otwarcia przepustnicy, położenia wodzika na krzywce przestrzennej, od obrotów silnika, temperatury cieczy chłodzącej i ciśnienia atmosferycznego. Powierzchnia krzywki przestrzennej a odwzorowuje wszystkie punkty charakterystyki silnika. Uzależnienie dawki paliwa od obrotów silnika uzyskano przez sprzężenie krzywki przestrzennej z odśrodkowym czujnikiem obrotów b. Zmiany obrotów silnika powodują poosiowe przesunięcie krzywki. Natomiast naciśnięcie na pedał sterowania przepustnicą c powoduje obrót krzywki. W celu kompensacji niedokładności produkcyjnych w czujniku obrotów zastosowano sprężyny regulacyjne. Czujniki pomocnicze: temperatury silnika e i ciśnienia atmosferycznego f zapewniają dokładne dopasowanie dawki paliwa do różnych warunków eksploatacyjnych.

Zagadnienie

Ponadto należy podkreślić, że w silnikach o małej objętości skokowej (np. 50 cm3) trudno jest ze względów konstrukcyjnych uzyskać małe wartości 3, a chcąc osiągnąć w takich przypadkach duże wskaźniki mocy należy stosować duże czasoprzekroje okien: dolotowych, przelotowych i wylotowych. Na przykład silnik firmy Gräf-Stift, wyposażony w prosty układ regulacji (drogą upustu części powietrza ze strony tłocznej dmuchawy na ssawną) i zamontowany w autobusie pracującym w ruchu miejskim, osiągnął 17% oszczędności w zużyciu paliwa. Dobór elementów nastawczych układu regulacji i charakterystyki więzów łączących te elementy musi odbywać się na drodze eksperymentalnej. Osobne zagadnienie – dotąd nie rozwiązane w całości – to problem wyboru kryteriów optymalności takiej regulacji. Konwertor pulsacji odpowiadający schematowi ma znaczną długość, co utrudnia jego zastosowanie we współczesnych silnikach charakteryzujących się zwartą budową. Na rysunku u Niewiarowskiego pokazano zbadane w wytwórni Sulzer układy, jakie zastosowano w ośmiocylindrowym silniku rzędowym używanym.

Zależności

Im mniejsze jest konieczne ciśnienie doładowania i mniejszy jest wydatek powietrza przy właściwym przebiegu procesu wymiany ładunku, tym łatwiej jest zrealizować doładowanie systemem pulsacyjnym. W celu uzyskania możliwie dużej energii spalin i tym samym zwiększenia mocy turbiny należy ponadto zwiększyć wyprzedzenie otwarcia okien wylotowych. Gwałtowny wypływ spalin podczas wylotu wstępnego powoduje w ciasnym układzie wylotowym pulsacyjnego systemu doładowania chwilowy wzrost ciśnienia dochodzący przy pełnym obciążeniu do 0,15-H -T- 0,2 MPa. Spaliny te powinny możliwie szybko odpłynąć przez turbinę, aby do chwili otwarcia okien dolotowych ciśnienie za oknami wylotowymi zmalało do ciśnienia doładowania lub jeszcze bardziej, co umożliwi przepłukanie cylindra. W przeciwnym przypadku nastąpi „uderzenie” spalin do układu wlotowego. W typowych przypadkach – zwyczajne zwiększenie wymaganej mocy silnika do 2214-250 kW, podczas gdy w latach 1961-63 zachodnioniemieckie silniki-bez doładowania do samochodów ciężarowych o masie całkowitej 32 t miały najczęściej moc 154 kW.

Kilka słów o turbinie

Przekroju turbiny nie można dowolnie zwiększać, ponieważ jest to związane z niepełnym wykorzystaniem pulsacji ciśnienia. A więc musi istnieć duży czasoprzekrój wylotu wstępnego (tj. czasoprzekrój liczony do chwili otwarcia okien dolotowych, aby wzrost ciśnienia nastąpił możliwie szybko, a oprócz tego niezbędny jest dostateczny odstęp czasu między otwarciem okien wylotowych i dolotowych, aby fala spalin o zwiększonym ciśnieniu zdążyła przejść przez turbinę. W wolnoobrotowych silnikach potrzeba do tego 25 -=-28° obrotu korby. Ostatecznie wyprzedzenie dobiera się drogą doświadczalną. Pod tym względem korzystniejsze są silniki o przepłukaniu wzdłużnym, zwłaszcza zaworowe. Oczywiście moc turbiny wzrasta kosztem straty pola wykresu indykatorowego, co pociąga za sobą pewne zwiększenie zużycia paliwa. W silnikach z przepłukaniem zwrotnym i poprzecznym, najczęściej ze względów konstrukcyjnych nie jest możliwe tak wczesne otwarcie wylotu. Występujący wówczas niedobór mocy turbiny wyrównuje się za pomocą dodatkowej dmuchawy.

Konwertory pulsacji

Wykorzystanie energii spalin w układzie doładowania turbosprężarką zależy głównie od dwóch czynników: wielkości strat energii występujących podczas przepływu spalin od cylindra do turbiny; sprawności turbiny, na którą decydujący wpływ ma sposób jej zasilania. Z poprzednich rozważań wynika, że system stałego ciśnienia umożliwia wprawdzie uzyskanie większych sprawności turbiny, lecz charakteryzuje się znacznymi stratami energii spalin. W systemie pulsacyjnym natomiast małe straty energii spalin są okupione mniejszą sprawnością turbiny, co wynika z niepełnego okresowego jej zasilania. W wyniku dążenia do połączenia zalet obu systemów doładowania powstał układ doładowania zwany konwertorem pulsacji1′, w którym energia pulsacji ciśnienia jest wykorzystywana do zwiększania prędkości spalin, a prędkość ta po odpowiednim przekształceniu umożliwia odzyskanie energii w postaci ciśnienia. Przewody wylotowe 1 dwóch cylindrów, dla których odstęp między zapłonami jest mniejszy od czasu otwarcia ich zaworów wylotowych, są doprowadzone przez dysze 2 do wspólnego przewodu 3, łączącego się poprzez dyfuzor 4 ze zbiornikiem wyrównawczym 5 umieszczonym bezpośrednio przed wlotem do turbiny 6.

Ciśnienie

Fala ciśnienia wywołana wylotem z cylindra I przemieszcza się wzdłuż przewodu wylotowego i dochodzi do dyszy, w której energia ciśnienia zostaje zamieniona na energię kinetyczną i powoduje przyspieszenie ruchu spalin wypływających z cylindra 77 (w którym wylot rozpoczął się wcześniej). W ten sposób uzyskuje się w przewodzie 3 wyrównanie prędkości przepływu spalin. W dyfuzorze następuje przemiana energii kinetycznej na ciśnienie. Im więcej cylindrów jest podłączonych do tego samego konwertora pulsacji, tym bardziej stałe jest ciśnienie za dyfuzorem, a cały układ zbliża się do systemu stałego ciśnienia, a jednocześnie przejmuje wady charakterystyczne dla tego systemu. Na przykład celowe jest zastosowanie konwertora pulsacji w silnikach czterosuwowych o odstępie zapłonów mniejszym niż 240°, dzięki czemu można znacznie poprawić zasilanie turbiny w silnikach 5, 8- i 10-cy-lindrowych, a także uzyskać większe ciśnienie doładowania i lepsze przepłukanie cylindrów – a o to przecież także chodzi.

Wzmocnienie wału korbowego

Jednak przez wzmocnienie i odpowiednie wymiarowanie wału korbowego, łożysk, głowic, ściągów, trzonów tłokowych i korbowodów oraz wprowadzenie po wnikliwych studiach konstrukcyjnych specjalnych rozwiązań tłoków nie dopuszczono do przekroczenia naprężeń uznawanych jako dopuszczalne w typowych silnikach. Podane poprzednio założenia wysokiego doładowania MAN, zastosowane w pierwszych silnikach tego rodzaju, umożliwiały uzyskanie wyjątkowo małego zużycia paliwa. Późniejszy rozwój związany z dalszym powiększaniem pe (dla uzyskania jak najmniejszego obrysu silnika) skłonił konstruktorów wspomnianej wytwórni do wprowadzania większego współotwarcia zaworów, umożliwiającego zmniejszenie obciążeń cieplnych kosztem pewnego wzrostu zużycia paliwa. Ponadto w dążeniu do uzyskania możliwie dużych wartości pe przy danym największym ciśnieniu spalania (uwarunkowanym względami konstrukcyjnymi oraz przepisami towarzystw klasyfikacyjnych) przyjęto oczywiście ciśnienia doładowania nie tak duże jak początkowo.

Wybór systemu

Przykładem silnika opracowanego w oparciu o te zmodyfikowane założenia jest silnik W52/55 (D/S = 520/550 mm) o mocy z cylindra 740 kW. Zastanawiając się nad wyborem systemu doładowania do wysokodoładowanego silnika czterosuwowego, należy wziąć pod uwagę, że przy współczesnych sprawnościach turbosprężarek rzędu 0,6 czterosuwowy silnik doładowany systemem stałego ciśnienia góruje nad silnikiem doładowanym systemem pulsacyjnym z częściowym zasilaniem przy obciążeniach przekraczających 1,75 MPa. Przy doładowaniu pulsacyjnym i pełnym zasilaniu (zgrupowanie wylotów z trzech cylindrów) punkt, w którym system przy stałym ciśnieniu jest korzystniejszy, znajduje się powyżej wartości pe = 2,1 MPa. Ponadto należy uwzględnić fakt, że doładowanie systemem stałego ciśnienia powoduje gorszą pracę przy obciążeniach częściowych i gorszą zdolność do przyspieszania silnika. A więc system ten jest niedogodny w takich warunkach eksploatacji, w których wymaga się dobrej reakcji silnika przy nagłych zmianach obciążenia albo żąda się długich okresów pracy na obciążeniach częściowych.

Zasadnicze parametry dmuchawy

Pierwszej z wymienionych metod po wprowadzeniu innych sposobów doładowania całkowicie zaniechano w nowych konstrukcjach, a druga metoda jest jeszcze wykorzystywana w niektórych silnikach doładowanych systemem stałego ciśnienia, w celu dodatkowego sprężenia powietrza płynącego z turbosprężarki do cylindra. Podczas doboru lub obliczania dmuchaw ładujących konieczna jest znajomość następujących zasadniczych parametrów dmuchaw: sprężu, wydatku, sprawności adiabatycznej, sprawności objętościowej i zapotrzebowania mocy. Najbardziej pełną ocenę właściwości roboczych dmuchawy uzyskuje się podając jej charakterystykę wykreślną. Spręż – Stopień przyrostu ciśnienia zwany krótko sprężem określa się stosunkiem ciśnienia p2, jakie czynnik uzyskuje po przejściu przez dmuchawę, do ciśnienia początkowego pt.Wartość ciśnienia p2 wyznacza się na podstawie przyjętego dla silnika ciśnienia ładowania pp z uwzględnieniem oporów na drodze przepływu od dmuchawy do okien w cylindrze. Nie jest to bardzo skomplikowane.

Wydatek

Ciśnienie px może być w wielu przypadkach równe ciśnieniu otoczenia, a przy większym oporze na ssaniu przyjmowaną wartość TCs należy odpowiednio powiększyć, przy czym istotne znaczenie mają opory filtru powietrza (w znamionowych warunkach pracy opory filtru A/>s = 0,5-2,5 kPa). Potrzebny wydatek dmuchawy odniesiony do warunków otoczenia wyznacza się z ilości powietrza zapotrzebowanego przez silnik, którą można obliczyć z wzoru: VP = [m3/s], gdzie: Vss – objętość skokowa silnika w m3, n -prędkość obrotowa silnika w obr/min, E – współczynnik ilości czynnika przepłukującego. Sprawność adiabatyczna jest to stosunek adiabatycznej pracy sprężał ia Had jednego kilograma czynnika do rzeczywiście potrzebnej pracy sprężania H przy zachowaniu w obu przypadkach tego samego sprężu. Adiabatyczna praca sprężania, zwana też adiabatyczną wysokością tłoczenia, jest określona następującą zależnością, gdzie: k – wykładnik adiabaty (dla powietrza k = 1,4), R – stała gazowa (dla powietrza R = 287 N m/(kg K)), rŁ – temperatura powietrza na wlocie do dmuchawy.

Wartości optymalne

Osiągane wartości optymalne sprawności adiabatycznej dla dmuchaw Roots zawierają się w granicach od 0,5 do 0,75, przy czym większe wartości odpowiadają dmuchawom o większym wydatku. Dla dmuchaw promieniowych y\ai = 0,65 -r -0,75. W dmuchawach promieniowych – podobnie jak w innych maszynach przepływowych – zamiast sprawności adiabatycznej wprowadza się bardziej dla nich właściwe pojęcie sprawności izentropowej stanowiącej stosunek izentropowej pracy sprężania1′ do rzeczywiście potrzebnej pracy sprężania – z zachowaniem w obu przypadkach takiego samego sprężu. Jednak w praktyce przeważnie stosuje się sprawność adiabatyczną, co do której istnieje dużo danych doświadczalnych. Izentropową pracę sprężania oblicza się oczywiście podobnie jak Had podstawiając w miejsce wykładnika adiabaty wykładnik izentropy. W sprężarkach tłokowych stosuje się pojęcie sprawności izotermicznej (odniesionej do sprężania w stałej temperaturze). Sprawność ta w dobrze skonstruowanych sprężarkach tłokowych wynosi 0,72- – 0,78.

Kolejne wady

Inną jeszcze wadą dmuchawy promieniowej jest szybki spadek ciśnienia tłoczenia ze zmniejszeniem prędkości obrotowej wirnika. Wprawdzie przy mniejszej prędkości obrotowej silnika dłuższy czas otwarcia okien (a tym samym i większy ich czasoprzekrój mierzony w m2 s) ułatwia przepłukanie cylindra przy zmniejszonym ciśnieniu ładowania, jednak pogarsza to w istotny sposób przebieg krzywej pe oraz MB. W silniku nawrotnym dmuchawa promieniowa, dobrana do jego normalnej pracy, ma podczas biegu wstecznego znacznie mniejszą sprawność. W wielu przypadkach można się jednak z tym pogodzić, ponieważ śruba napędowa obracająca się w kierunku odwrotnym i tak nie pobiera pełnej mocy silnika. Ze względu na omówione właściwości dmuchawy promieniowe nadają się do ładowania silników z zapłonem samoczynnym średniej i dużej mocy. Jednak szerokie stosowanie w zakresie dużych mocy doładowania przy użyciu turbosprężarek i coraz szersze ich rozpowszechnianie w mniejszych silnikach ogranicza obecnie stosowanie dmuchaw promieniowych (napędzanych od wału korbowego) do niezbyt licznych silników dwusuwowych średniej mocy.

Dmuchawa tłokowa

Dmuchawy takie, po niezbyt udanym zastosowaniu w dawnych silnikach DKW i innych, zostały całkowicie zastąpione w dwusuwowych silnikach gaźnikowych wstępnym sprężaniem mieszanki w skrzyni korbowej. Próby użycia dmuchaw tłokowych w szybkoobrotowych silnikach z zapłonem samoczynnym (np. NORMAG) nie znalazły naśladowców, ponieważ wprowadzenie takich dmuchaw w celu uzyskania nadciśnienia w granicach kilku setnych megapaskala pociąga za sobą niewspółmiernie duże skomplikowanie konstrukcji silnika oraz znaczny wzrost jego masy i gabarytu. Szersze zastosowanie znalazły natomiast dmuchawy tłokowe w wolnoobrotowych silnikach dwusuwowych (n < 250 obr/min). W tych silnikach może być zastosowana jedna duża dmuchawa umieszczona w osi podłużnej silnika i napędzana od specjalnego wykorbienia wału korbowego lub też większa liczba małych dmuchaw zabudowanych na bocznej stronie silnika i napędzanych od wodzików za pomocą odpowiednich ramion. Przy takim zabudowaniu dmuchawy, gdy powietrze jest tłoczone wprost do przelotni, przyjmuje się p2 – pp.

Wybór dmuchawy ładującej

Do ładowania silników dwusuwowych stosowane są dmuchawy: Roots, promieniowe i tłokowe oraz skrzynie korbowe (wraz z dolną stroną tłoka) przystosowane do wstępnego sprężania ładunku (silniki ze sprężaniem wstępnym w skrzyni korbowej omówiono dalej). Pewien spadek wydatku dmuchawy przy małych prędkościach obrotowych i dużych ciśnieniach jest wywołany zwiększonym uchodzeniem czynnika przez luzy między wirnikami oraz między obudową i każdym z wirników. Przy małych n dmuchawa taka dostarcza więc na każdy obieg prawie tyle powietrza co przy dużych n, a więc w razie zastosowania pompy wtryskowej o odpowiedniej charakterystyce silnik może rozwijać stosunkowo duży moment obrotowy (większy stopień elastyczności silnika). Jako dalsze zalety dmuchawy Roots należy wymienić prostotę konstrukcji, dużą trwałość i mały wpływ wielkości dmuchawy na jej sprawność. Przeciętne zapotrzebowanie powietrza przez silnik dwusuwowy wynosi 6,8 -f-11 m3/(kW>h) i dlatego zastosowanie dmuchawy promieniowej staje się ekonomiczne wtedy, gdy użyteczna moc silnika wynosi co najmniej 90-”-150 kW.

Wady dmuchawy

Do wad dmuchawy Roots natomiast trzeba zaliczyć trudności dokładnej obróbki skomplikowanego zarysu wirnika oraz występowanie optymalnej sprawności w stosunkowo wąskim zakresie zmian prędkości obrotowej. Pomimo wymienionych wad dmuchawy Roots są stosunkowo najczęściej stosowane jako osprzęt dwusuwowych silników średnio- i szybkoobrotowych (zwłaszcza trakcyjnych) małej, a częściowo również średniej mocy. Dmuchawa promieniowa odznacza się szczególną prostotą budowy, lekkością i zwartością oraz łatwością wytwarzania dużego ciśnienia ładowania. Jednak ze względu na konieczność zapewnienia dużej prędkości obrotowej wirnika dmuchawy promieniowej (w celu uzyskania odpowiedniej prędkości obwodowej wirnika), wymagana jest przekładnia o przełożeniu kilkakrotnie większym niż w razie stosowania dmuchawy Roots, co zwiększa straty przeniesienia napędu. W trakcie wyboru typu dmuchawy bardzo istotną rolę odgrywa również fakt, że dmuchawa promieniowa osiąga zadowalającą sprawność dopiero przy wydatkach powyżej 1000 m3/h.