PZM – Motoryzacja

Krzywe stałych

Krzywe stałych ge nanosi się na podstawie wartości uzyskiwanych z odpowiedniej liczby uprzednio sporządzonych charakterystyk obciążeniowych (opisanych dalej) dla różnych prędkości obrotowych silnika w zakresie od wartości najmniejszej do wartości znamionowej. Hiperbole stałej mocy użytecznej wyznacza się dla silników czterosuwowych z wzoru: przy czym dla silników dwusuwowych zamiast T = 2 podstawia się T = 1. Przyjmując dla danej krzywej określoną wartość Ne podstawia się do wzoru kolejno szereg wartości n i oblicza się odpowiadające im wartości pe. Jeżeli charakterystyka ogólna ma służyć do porównywania właściwości badanego silnika z właściwościami innych silników, to wówczas na wykresie zamiast krzywych stałej mocy nanosi się krzywe stałego objętościowego wskaźnika mocy, czyli mocy przypadającej na dm3 objętości skokowej silnika (w podanym wzorze podstawia się Vss = 1). Charakterystyka ogólna stanowi niejako plastyczną mapę, na której wyraźnie występują obszary ekonomicznej pracy silnika, co pozwala na łatwą analizę właściwości roboczych silnika w całym możliwym obszarze jego pracy.

Potrzeby charakterystyki

Zależnie od potrzeb charakterystyki ogólne są uzupełniane jeszcze innymi krzywymi. Charakterystyka biegu jałowego przedstawia wykreślnie zależność godzinowego zużycia paliwa od prędkości obrotowej silnika podczas pracy na biegu jałowym. Charakterystyka biegu jałowego służy do oceny pracy silnika na biegu jałowym, a sporządzenie takich charakterystyk dla różnych regulacji układu zasilania umożliwia uzyskanie najekonomiczniejszej regulacji z zachowaniem statecznej pracy silnika. Charakterystyka śrubowa przedstawia wykreślnie zależność wybranych wskaźników pracy silników okrętowych od ich prędkości obrotowej przy jednoczesnej zmianie obciążenia uwarunkowanej poborem mocy przez śrubę napędową. Charakterystyka śrubowa zawiera na ogół krzywe: godzinowego Ge i jednostkowego ge zużycia paliwa, średniego ciśnienia użytecznego pe, sprawności mechanicznej v\m oraz obliczoną krzywą poboru mocy użytecznej Ne. Praca silnika jest tym stateczniejsza, im bardziej stroma staje się krzywa M0 = f(ń) w miarę zmniejszania się prędkości obrotowej.

Charakterystyka śrubowa

Często na charakterystyce śrubowej są naniesione również inne krzywe na przykład: najwyższego ciśnienia spalania p_max> temperatury spalin tsp (jest to temperatura mierzona w przewodzie zbiorczym), ciśnienia ładowania pp, średniego ciśnienia indykowanego pi oraz innych wskaźników pracy silnika. Podczas zdejmowania charakterystyki śrubowej silnika okrętowego na stanowisku pomiarowym w hamowni wyznaczanie prędkości obrotowych dla poszczególnych obciążeń opiera się na założeniu, że moc pobierana przez śrubę okrętową zmienia się według paraboli trzeciego stopnia: Ne= C-n3[kW], gdzie stała C jest uzależniona od parametrów konstrukcyjnych śruby, prędkości statku i jego zanurzenia. Opierając się na wartościach znamionowych mocy użytecznej i prędkości obrotowej oraz na podanym równaniu, otrzymuje się dla charakterystyki śrubowej wzajemne relacje wartości Ne i n. Nowy silnik należy dostosować do stawianych mu wymagań dotyczących elastyczności i innych właściwości roboczych już podczas projektowania oraz w trakcie badań prototypu.

Twardość

Mniejsza ścieralność żeliwa niż stopów lekkich jest wynikiem dużej twardości żeliwa w podwyższonych temperaturach oraz zawartości grafitu, który nadaje żeliwu właściwości samo-smarne i poprawia przyczepność oleju. Nie należy jednak zapominać, że zużycie korozyjne, w wyniku działania powstających podczas spalania mieszanin kwasów i skondensowanej pary wodnej, może być dla żeliwa znacznie większe niż dla stopów aluminium. Podana w tablicy w książce Niewiarowskiego ścieralność określa ilość materiału startego w jednakowych warunkach, przy czym jako jednostkę przyjęto ilość startego stopu eutektycznego Al-Si 12-Cu-Ni. Chociaż nie ma bezpośredniej zależności między twardością i wytrzymałością, to jednak na podstawie stosunkowo łatwego pomiaru twardości w różnych temperaturach można wyciągnąć istotne wnioski o wytrzymałości materiału w różnych temperaturach pracy. Twardość stopów aluminium po odlaniu lub odkuciu tłoka jest znacznie mniejsza niż twardość żeliwa, lecz może być zwiększona przez obróbkę cieplną.

Właściwości wytrzymałościowe

Właściwości wytrzymałościowe materiałów na tłoki określa się przy użyciu takich wielkości, jak: wytrzymałość na rozciąganie w różnych temperaturach, granica plastyczności, wydłużenie, moduł sprężystości lub wytrzymałość na zmęczenie powodowane zginaniem obukierunkowym. Wymienione właściwości stosowanych obecnie materiałów na tłoki podano w tablicy w książce Niewiarowskiego. Materiały, z których wykonuje się tłoki, można podzielić na cztery grupy: stopy aluminium, żeliwa, stopy magnezu i staliwa. Stopy aluminium w zastosowaniu na tłoki (podobnie jak stopy łożyskowe) powinny mieć strukturę złożoną z twardych składników rozmieszczonych równomiernie w miękkiej osnowie. Zależnie od składu chemicznego stopu składnikami twardymi są: związki Al-Cu, Al-Cu-Ni lub kryształki krzemu. Stopy te można podzielić na trzy zasadnicze grupy. Stopy Al-Cu reprezentowane przede wszystkim przez stopy Y oraz stopy Al-Si-Cu (np. stop LA 5) w porównaniu z innymi stopami aluminium odznaczają się większą, wytrzymałością w podwyższonych temperaturach i są dość rozpowszechnione.

Wnioski

Jednak ze względu na mniejszą odporność na ścieranie, a zwłaszcza większą rozszerzalność cieplną, stopy takie zostały w znacznym stopniu wyparte przez stopy Al-Si. Stopy eutektyczne zawierają ll-f-13% Si oraz małe dodatki Cu, Ni, Mg, Co, Cr,. Mn, Fe i innych metali, a zwłaszcza stopy nadeutektyczne np.: Al-Si-25-Cu-Ni. odznaczają się najmniejszą rozszerzalnością cieplną ze wszystkich stopów aluminium stosowanych na tłoki. Szczególnie korzystne jest oczywiście stosowanie stopów nadeutektycznych w silnikach dwusuwowych i przy chłodzeniu powietrzem (wysokie temperatury tłoka podczas pracy). Ogólnie biorąc stopy aluminium z uwagi na mały ciężar właściwy stanowią zasadniczy materiał na tłoki większości silników szybkoobrotowych. Ze względu na dużą przewodność cieplną (niższa temperatura tłoka w czasie pracy silnika) stopy te zostały wprowadzone do silników średnioobrotowych (okrętowych i kolejowych), zwłaszcza doładowanych, w których tłoki przejmują znaczną ilość ciepła od gorących spalin.

Ciężar właściwy

Tłok wraz ze sworzniem i pierścieniami stanowi największą z mas posuwisto-zwrotnych, które zwłaszcza przy dużych prędkościach obrotowych mają istotny wpływ na obciążenie łożysk i wymaganą wielkość przeciwciężarów, a tym samym i na masę całego silnika. Mały ciężar właściwy stopów aluminium zadecydował o szerokim ich zastosowaniu do wyrobu tłoków. Tłok żeliwny mimo cieńszych ścianek, na co pozwala duża wytrzymałość żeliwa w wysokich temperaturach, ma większą masę niż tłok ze stopu lekkiego. Na rysunku w książce Niewiarowskiego „Tłokowe silniki spalinowe” pokazano orientacyjną zależność mas tłoków od ich średnicy, uwarunkowaną zarówno ciężarem właściwym materiału, jak też i konstrukcją. Na wykresie tym naniesiono ponadto proste jednostkowej masy tłoka mt/D3 (m, – masa tłoka w kg, D – średnica cylindra w cm); jest to najlepszy wskaźnik masy do porównywania tłoków różnych wymiarów i kształtów. Wielkość D3 jest objętością walca V o średnicy D i długości równej całkowitej długości tłoka (co stanowi wartość średnią dla wielu tłoków).

Przewodność cieplna

Przewodność cieplna decyduje o temperaturze tłoka. Większemu współczynnikowi przewodności cieplnej odpowiadają niższe temperatury tłoka podczas pracy silnika. Między denkiem tłoka, a częścią prowadzącą występuje znaczny spadek temperatur, ponieważ pierścienie tłokowe odprowadzają na ścianki cylindra znaczną część ciepła przejmowanego przez denko. Rozszerzalność cieplna materiałów tłoka i cylindra ma istotny wpływ na luzy pomiędzy tymi elementami, przy czym należy uwzględnić cały zakres możliwych warunków pracy – od rozruchu silnika w niskiej temperaturze otoczenia aż do jego dopuszczalnego przeciążenia. Rozszerzalność cieplna stopów lekkich jest znacznie większa niż żeliwa. Stanowi to poważną wadę stopów lekkich, jednak przez odpowiednią konstrukcję tłoka niedogodność tę można w znacznym stopniu złagodzić, a nawet niemal całkowicie usunąć. Ścieralność stopów lekkich jest znacznie większa niż żeliwa. W stopach lekkich głównym składnikiem zmniejszającym ścieralność jest twardy krzem. Korzystny wpływ mają również małe dodatki miedzi, niklu i magnezu.

Zadania i warunki pracy

Tłok przekazuje siły wynikające z ciśnienia gazów za pośrednictwem korbowodu na wał silnika oraz prowadzi górną część korbowodu. W silnikach wodzikowych wymagane prowadzenie korbowodu zapewnia wodzik. Duże przyspieszenia tłoka w ruchu posuwisto-zwrotnym wywołują znaczne siły bezwładności. Poważne obciążenie spowodowane ciśnieniem gazów i siłami bezwładności, przy dużej prędkości ruchu i braku możliwości zapewnienia warunków tarcia płynnego, decyduje o wielkości pracy tarcia, a więc w pewnym stopniu i o zużyciu tłoka oraz gładzi cylindrowej. Zwykle w obliczeniach naprężeń w elementach układu korbowego silnika wolnobieżnego, wywołanych siłami ciśnienia gazów, nie uwzględnia się zmniejszającego te naprężenie oddziaływania sił bezwładności. W silnikach szybkobieżnych, w których mogą występować bardzo duże siły bezwładności, właściwy obraz obciążeń otrzymuje się obliczając poszczególne siły z uwzględnieniem i bez uwzględnienia sił bezwładności. Dotyczy to zwłaszcza silników pracujących ze zmiennymi prędkościami obrotowymi.

Materiały, półfabrykaty i obróbka cieplna

Warunki pracy tłoka w cylindrze są niekorzystne, ze względu na wysokie ciśnienie, temperaturę oraz prędkość. Wysokie temperatury pogarszają właściwości mechaniczne metalu, z którego wykonany jest tłok, a różnice lokalnych temperatur poszczególnych części lub powierzchni tłoka (zwłaszcza w dużych silnikach) powodują dodatkowo powstawanie wewnętrznych naprężeń cieplnych, które mogą wywoływać pęknięcia. Wskutek nagrzewania się lub ostygania tłoka zmieniają się jego wymiary, co może doprowadzić do naruszenia ustalonych luzów w miejscach współpracy z, innymi elementami i wywołać zatarcie tłoka w cylindrze (np. przy niewłaściwym doborze materiału) lub przegrzaniu tłoka w wyniku uszkodzenia układu chłodzenia. O wyborze materiału na tłoki decydują następujące jego właściwości: gęstość, przewodność i rozszerzalność cieplna, ścieralność, twardość oraz wytrzymałość na stałe i zmienne obciążenia w podwyższonych temperaturach. Istotne znaczenie ma również obrabialność i właściwości odlewnicze dla tłoków odlewanych.

Zalety i wady komór wirowych

Zalety komór wirowych są wynikiem uzyskiwania w nich intensywnych i regularnych zawirowań powietrza, które umożliwiają dobre spalanie z niedużym współczynnikiem nadmiaru powietrza (możliwość uzyskania dużych wartości pe). Małe wymiary komory ułatwiają prawidłowe rozpraszanie się kropel paliwa, a silne zawirowania powietrza sprzyjają dokładnemu ich rozdrobnieniu. Pozwala to na użycie rozpylaczy jednootworowych lub czopikowych, przy czym wystarcza umiarkowane ciśnienie wtrysku rzędu 8-15 MPa. Silne rozgrzewanie ścianek komory w pobliżu kanału łączącego skraca opóźnienie samozapłonu, co zapewnia bardziej miękką pracę silników szybkoobrotowych, a w silnikach o umiarkowanej prędkości obrotowej pozwala na stosowanie paliw o mniejszej liczbie cetanowej. Dobre wymieszanie paliwa z powietrzem w komorach dzielonych, tj. wstępnych jednowirowych nie sprzyja oczywiście powstawaniu tlenków azotu (małe nadmiary tlenu) z jednej strony oraz tlenku węgla i węglowodorów (duża jednorodność mieszanki) z drugiej.

Przerwanie łańcucha reakcji

Większe na ogół temperatury ścianek utrudniają przerwanie łańcucha reakcji utlenienia się węglowodorów, a więc i powstawania aldehydów oraz innych produktów niezupełnego spalania i sadzy. Dalsze uwagi na temat toksyczności paliw silników z zapłonem samoczynnym podano przy omawianiu wyboru rodzaju komory spalania. Podział komory zwiększa powierzchnię chłodzenia i powoduje pewne dławienie w kanale łączącym. Pociąga to za sobą zmniejszenie temperatury końca sprężania i tym samym utrudnia rozruch silnika. Z tego względu większość silników z komorami wirowymi wymaga stosowania świec żarowych lub innych zapalników. Duża powierzchnia chłodząca powoduje również zwiększone straty chłodzenia, a znaczna prędkość powietrza w kanale łączącym – dodatkowe straty przepływu. Straty te odbijają się niekorzystnie na jednostkowym zużyciu paliwa. Podział komory spalania powoduje niekorzystny rozkład temperatur. Silnie rozżarzona komora wirowa nagrzewa ścianki swego gniazda, co może spowodować niepożądane miejscowe odkształcenia głowicy.

Przebieg wywiązania ciepła

Wynikiem takiego przesunięcia jest przebieg wywiązywania ciepła o mniejszej intensywności w okresie początkowym niż w razie wtrysku jednym strumieniem, a w związku z tym – bardzo miękka praca silnika. Inne rozwiązanie typu Perkins jest stosowane w czterocylindrowym silniku PERKINS Four 99, który w wersji do samochodu osobowego rozwija moc Ne = 32 kW przy n = 4000 obr/min. W komorze typu Hercules uzyskano zwiększenie intensywności wymieszania dzięki temu, że tłok zbliżając się do GMP, a więc w okresie, w którym w innych silnikach z rozdzieloną komorą spalania występuje osłabienie przepływów,przysłania częściowo kanał łączący powodując wzrost prędkości przepływu w tym kanale. W rezultacie uzyskano nie tylko dwukrotny wzrost największej prędkości przepływu, ale jednocześnie przesunięcie tego maksimum z 25° na 8° przed GMP – a więc w położenie odpowiadające okresowi tworzenia się mieszanki. Stosowanie w tego rodzaju silnikach małych stopni sprężania (s = 14,8 – 15,5) tłumaczy się z jednej strony dobrym wymieszaniem, z drugiej zaś – dobrym napełnieniem przestrzeni spalania.

Dobre napełnienie

Dobre napełnienie jest wynikiem zastosowania dużego przekroju przelotowego zaworu dolotowego, co stało się możliwe dzięki usunięciu z głowicy komory wirowej i obsady wtryskiwacza. Średnia prędkość przepływu w zaworze dolotowym, obliczona przykładowo dla jednego z tego rodzaju silników, wynosi około 33 m/s, co przy 2600 obr/min jest wartością bardzo małą. Dobre napełnienie komory wirowej uzyskano przez zastosowanie kilkakrotnie większego niż w innych silnikach z komorami wirowymi przekroju kanału łączącego {dla wspomnianego poprzednio silnika K = 44-10-3). Ze względu na napełnienie komory wirowej, zmniejszenie przekroju tego kanału przez tłok podczas jego zbliżania się do GMP nie jest szkodliwe, ponieważ w tym okresie z cylindra do komory wirowej przepływa nieznaczna ilość ładunku. Jest to oczywiście jedno spośród wielu rozwiązań. Przed podjęciem decyzji należy wziąć pod uwagę różne czynniki, które mogą zmieniać wynik rozwiązania. Najlepiej również sprawdzić inne rozwiązania i porównać je ze sobą – wówczas otrzymamy najkorzystniejsze.

Inne rozwiązanie

Innym jeszcze rozwiązaniem specjalnym jest komora wirowa stosowana w rozpowszechnionych w kraju polskich silnikach przemysłowych S60 i pochodnych: Sól, S62 oraz S64 (rys. 8-65). Odbiega ona znacznie od typowych komór pod względem wielkości przewężenia, które jest zaledwie zaznaczone. Odbija się to niekorzystnie na wskaźnikach pracy (ge > 270 g/(kW-h), pe = 0,55 MPa) i zmusza do stosowania większego ciśnienia wtrysku (około 17,5 MPa). Silnik o takich komorach odznacza się natomiast wyjątkowo łatwym rozruchem, nawet w niekorzystnych warunkach klimatycznych. Umieszczenie zaworu wylotowego w komorze zapewnia dobre jej przewietrzanie, co eliminuje prawie całkowicie tworzenie się nagaru. Prowadzenie iglicy rozpylacza umieszczono z dala od komory spalania – czyli w dość chłodnym miejscu. Zastosowanie tych środków zapobiega szybkiemu zanieczyszczaniu się rozpylacza. Bliższe dane dotyczące parametrów geometrycznych komór spalania silników MAN-M podaje Mironów – Ci, którzy chcą wiedzieć więcej powinni sobie tych informacji poszukać.

Chłodzenie powietrzem

Komora wirowa silników chłodzonych powietrzem była wytwarzana przez szereg lat w dużych seriach. Komora ta ma kształt gruszki skierowanej częścią wydłużoną ku dołowi. W nowszych rozwiązaniach silników Deutz zamiast tłoków z płaskim denkiem zastosowano tłoki z wgłębieniami dającymi regularne zawirowania, podobnie jak w komorach wirowych COMET III. Kanał łączący ma swoje ujście do komory znajdującej się naprzeciw wtryskiwacza, dzięki czemu podczas rozruchu paliwo trafia do słabo chłodzonej strefy w przestrzeni nad tłokiem. Ze względu na to, że stop lekki głowicy nie powinien pracować w wysokich temperaturach, komora wirowa wraz z kanałem łączącym oraz obsadami wtryskiwacza i świecy żarowej jest wykonana ze stali i zalana w głowicy. Rozwiązanie dotyczy silnika dwusuwowego, w którym można było umieścić wylot kanału łączącego w osi cylindra, co zapewniło bardziej równomierne obciążenie cieplne tłoka.

Rozwiązania specjalne

Oprócz opisanych tu komór wirowych, które można uważać w mniejszym lub większym stopniu za rozwiązania klasyczne, są również stosowane komory o specjalnej budowie, które opracowano w celu uzyskania wymaganych właściwości silników, wynikających najczęściej z ich przeznaczenia. Do najbardziej znanych rozwiązań specjalnych należy komora typu Perkins, mająca pewne cechy wtrysku bezpośredniego. Właściwa komora wirowa jest połączona z przestrzenią nad tłokiem oryginalnie ukształtowanym kanałem o dużym przekroju. Istotną rolę odgrywa sposób wbudowania wtryskiwacza zaopatrzonego w niesymetryczny rozpylacz dwuotworkowy. Paliwo wtryskiwane skośnym strumieniem dzięki sprzyjającym warunkom (przepływ w przeciwprądzie z najsilniej nagrzanymi ilościami sprężonego powietrza) szybko rozdrabnia się i paruje, co powoduje szybki samozapłon, nawet podczas rozruchu zimnego silnika w niskich temperaturach otoczenia. Płomień powstały w kanale łączącym zapala główną dawkę wtryskiwaną do komory wirowej i wymieszaną z powietrzem dzięki intensywnemu ruchowi wirowemu, podobnie jak, w innych rozwiązaniach.

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.

Czujniki wieloelektrodowe

Kondensator ma około dwukrotnie większą pojemność po całkowitym zanurzeniu w benzynie; wynika to z różnych przenikalności dielektrycznych paliwa i powietrza. Czujnik ma charakterystykę liniową, dostosowaną do zbiorników o kształtach prostopadłościennych. W celu otrzymania liniowej podziałki układu mierzącego poziom paliwa w zbiorniku o nieliniowej zależności między poziomem a objętością paliwa stosuje się czujniki nieliniowe. Inny sposób linearyzacji charakterystyki polega na odpowiedniej zmianie długości poszczególnych pasków przewodzących czujnika. Czujniki wieloelektrodowe mają stosunkowo dużą pojemność. Zmiana pojemności czujnika powoduje przestrojenie oscylatora na inną częstotliwość. W przypadku czujników prętowych częstotliwość oscylacji powinna wynosić 200…500 kHz, natomiast stosując czujniki wieloelektrodowe można ograniczyć częstotliwość do 5 kHz, co znacznie ułatwia konstrukcję układu pomiarowego. Zmiana pojemności Cx spowodowana zmianą pozioma paliwa powoduje rozstrojenie mostka Cu Cx, Ph.

Równowaga

Mostek jest w stanie równowagi, gdy Ci = Cx i suwak potencjometru Pj jest ustawiony w położeniu środkowym. Proporcjonalne do zmiany pojemności Cx napięcie po przekątnej suwak jest mierzone przez miliwoltomierz zbudowany na układzie scalonym MAA245. W celu uzyskania dobrej liniowości wskazań miernik włączono w gałąź sprzężenia zwrotnego. Potencjometr Pj służy do nastawienia punktu zerowego przy pustym zbiorniku, a P2 – przy pełnym. W opisanym układzie czujnik wykonano z rury mosiężnej o średnicy 15 mm i długości 250 mm (okładzina masowa). Wewnątrz rury na izolatorach zamocowano pręt o 0 1,5 mm tworzący drugą okładzinę kondensatora CX. Dołączając do wyjścia miernika układ progowy można uzyskać zapalenie lampki kontrolnej minimalnego poziomu paliwa. Zasilany stałym prądem drut oporowy jest chłodzony przez paliwo, toteż jego rezystancja jest tym mniejsza, im bardziej napełniony jest zbiornik. W celu wyeliminowania wpływu temperatury paliwa na wynik pomiaru na dnie zbiornika umieszczono rezystor kompensacyjny.