PZM – Motoryzacja

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.

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.

Wymiana filtrów
Bardzo ważne jest, aby nie lekceważyć tych drobnych części jakimi są wszelkiego rodzaju filtry. Od ich dobrego stanu zależy bardzo wiele rzeczy. Zapewniają one lepszą pracę naszego silnika i dbają o jego jak największą czystość zwiększając tym samym jego ogólną żywotność. Filtry te odgrywają również ogromną rolę w ochronie naszego środowiska naturalnego, czyli między innymi zapewniają zdrowsze życie nam wszystkim. Oczyszczając spaliny powodują mniejszą emisję szkodliwych gazów do atmosfery. Chyba nikt z nas nie chce żyć w miastach z duszącym smogiem, a większość używa samochodów. Dlatego należy dbać również i o te filtry. Ostatnie rodzaje filtrów zapewniają nam samym lepszy komfort jazdy. Oczyszczają powietrze wpadające do kabiny z wszelkiego rodzaju kurzu i zanieczyszczeń. Osuszają je, dzięki czemu szyby w samochodzie nie parują się, powodując w ten sposób większe bezpieczeństwo kierowania samochodem. Każde auto posiada książeczkę, na której dokładnie wyszczególnione jest kiedy i jaki filtr należy wymienić. Nigdy nie powinniśmy o tym zapominać. Należy trzymać się ściśle zaleceń producenta samochodu.

Katalizator
Katalizatory montowane są w układzie wydechowym zazwyczaj dość blisko kolektora wydechowego. Katalizatory są montowane ze względu na coraz bardziej restrykcyjne prawo dotyczące czystości spalin samochodowych. Ich podstawowym zadaniem jest oczyszczanie spalin w celu zmniejszenia ilości szkodliwych składników, które się w nich znajdują. Początkowo na układzie wydechowym montowano tylko jeden katalizator. Wystarczał on do tego, aby sprostać wymaganiom prawa. Stale rosnące normy doprowadziły jednak do tego, że zaczyna się montować w pojazdach układy kilku katalizatorów zamiast standardowego jednego. Katalizator do prawidłowej pracy potrzebuje optymalnych warunków, które dobierane są dzięki danym przekazywanym przez sondę lambda. Stąd tendencja do montażu sondy zarówno przez jak i za katalizatorem. Sam proces oczyszczania spalin odbywa się na zasadzie reakcji wszelkich substancji występujących w spalinach z katalizatorem. Zużyty katalizator to nie tylko zwiększona emisja szkodliwych gazów do atmosfery. To również zwiększenie się zużycia paliwa. Z tego względu bardzo ważne jest dbanie o nasz katalizator. Z reguły katalizator powinien przetrwać naprawdę wiele, jednak zdarza się że ulega on przedwczesnemu zużyciu. Wymiana katalizatora to niestety dość kosztowna operacja.

Działanie

Napięcie mierzone Um i kompensujące Uk są odejmowane we wzmacniaczu operacyjnym. Drut pomiarowy powinien być osłonięty przed bryzgami paliwa. Korekcję liniowości wskaźnika wykonuje się zmieniając długość drutu oporowego zanurzonego w poszczególnych strefach zbiornika. Cienkowarstwowe foliowe czujniki elektrotermiczne produkowane są na automatycznych liniach produkcyjnych. Wynikająca z zasady działania duża swoboda w doborze ilości wartości rezystorów umożliwia łatwą linearyzację wskazań nawet dla bardzo skomplikowanych kształtów zbiornika paliwa oraz współpracę z układami cyfrowymi. Dokładność pomiaru zwłaszcza w zakresie małych ilości paliwa jest znacznie większa niż w przypadku innych typów czujników – ważne przy współpracy z kalkulatorem pokładowym obliczającym przewidywany zasięg do wyczerpania zapasu paliwa. Czujniki elektrotermiczne nadają się również do pomiaru poziomu innych cieczy eksploatacyjnych. Temperatura otoczenia nie wpływa na wynik pomiaru. Po włączeniu stacyjki lampka kontrolna świeci przez 1,5 s, po czym gaśnie, gdy poziom oleju jest wyższy od minimalnego.

Pomiar poziomu cieczy eksploatacyjnych

We współczesnych samochodach jest to miernik poziomu paliwa (który zawsze tak martwi kierowców gdy jego wskazówka zbliża się do dolnej krawędzi). Poziom innych cieczy eksploatacyjnych: cieczy chłodzącej, płynu hamulcowego, elektrolitu w akumulatorze, wody w zbiorniczku wtryskiwacza oraz olejów smarujących kontroluje się wizualnie, np. za pomocą marki prętowej (olej silnikowy) lub otworów pomocniczych (skrzynia przekładniowa i mechanizm różnicowy). Kontrola poziomu tych cieczy jest kłopotliwa (zły dostęp, brak oświetlenia, konieczność zabrudzenia rąk), toteż kierowcy wykonują ją niechętnie lub wcale. Wyciek płynu może zdarzyć się w czasie jazdy, co może być przyczyną zatarcia silnika (wyciek oleju silnikowego) lub nawet wypadku (wyciek płynu hamulcowego). Wszystkie wymienione pomiary można w prosty sposób wykonać metodami elektrycznymi, przy czym stopień skomplikowania układu zależy w dużej mierze od typu czujnika (czujniki pomiarowe i sygnalizacyjne) oraz od rodzaju cieczy (przewodzące lub nieprzewodzące).

Pomiar ilości paliwa

W klasycznych układach do pomiaru poziomu paliwa stosuje się najczęściej czujnik potencjometryczny, którego rezystancja wyjściowa zależy od położenia suwaka sprzężonego z pływakiem umieszczonym w zbiorniku paliwa. Wadą tego typu czujnika jest wrażliwość na przypadkowe zmiany poziomu spowodowane ruchami paliwa w zbiorniku. Wady tej są pozbawione czujniki rezystancyjne. Czujnik rezystancyjny, który, podobnie jak czujnik potencjometryczny, nadaje się tylko do cieczy nieprzewodzących. W wersji opracowanej przez VDO składa się z zanurzonej w benzynie rury, w której na prowadnicy porusza się pływak. Czujniki typu pływakowego można stosować tylko w zbiornikach paliwa o prostych formach geometrycznych. Kształty współczesnych bezpiecznych zbiorników montowanych w strefie najmniejszych odkształceń pojazdu mogą być bardzo skomplikowane. Stosuje się wtedy czujniki pojemnościowe w wykonaniu elastycznym lub elektrotermiczne. Wielkością sterującą układ elektroniczny jest zmiana pojemności czujnika spowodowana zmianą poziomu paliwa.