Elastyczność tłokowych silników spalinowych

1. Wstęp
2. Elastyczność silnika
3. Sposób określania elastyczności silnika
4. Elastyczność wybranych grup silników wysokoprężnych
5. Literatura

WSTĘP
Od chwili zbudowania silników spalinowych ich konstruktorzy poszukują metody umożliwiającej w ostatecznym efekcie uzyskanie większej pracy użytecznej z jednostki objętości cylindra.Już Rudolf Diesel próbował zastosować w swoim silniku doładowanie w celu polepszenia parametrów roboczych silnika, jednak próby przeprowadzone przez niego w wytwórni silników MAN w roku 1897 nie dały oczekiwanych rezultatów.Szwajcar A.Buchi w latach 1911-1915 w wytwórni Sulzer A.G. po raz pierwszy wprowadził turbinę gazową do napędu sprężarki doładowującej silnik.W czasie dalszych badań przeprowadził on przepłukanie komory spalania przez wytworzenie różnicy ciśnień przed zaworem ssącym i za zaworem wydechowym.W latach 1926-1927 wprowadził pulsacyjne zasilanie turbiny przez rozdzielenie przewodów wydechowych cylindrów, w których wydech następuje częściej niż 240 stopni obrotu wału korbowego.Rozwiązanie to umożliwiło lepsze opróżnienie cylindrów ze spalin, bardziej równomierne rozłożenie zasilania na obwodzie obudowy turbiny i znacznie lepsze przyspieszenie turbosprężarki.

Pierwsze silniki z turbodoładowaniem wg licencji Buchiego oddała do eksploatacji wytwórnia MAN w roku 1923.Jak z tego wynika, doładowanie wysokoprężnych silników spalinowych jako metoda polepszenia ich napełnienia, a więc i parametrów roboczych, czyli w szczególności sprawności ogólnej, było stosowane od początku zbudowania silników.Stosowano też doładowanie mechaniczne za pomocą sprężarki wyporowej, którego główną zaletą było polepszenie dynamiki pojazdu napędzanego przez silnik doładowany.

Jednym z ważniejszych parametrów roboczych silnika, świadczącym o możliwości wykonania przez niego pracy użytecznej, jest moment obrotowy.Teoretyczna zależność momentu obrotowego od mocy silnika wygląda następująco Mo=9554,14 Ne/n.Oznacza to, że wielkość momentu byłaby niezmienna (linia prosta pozioma na wykresie) w przypadku, gdyby proces zamiany energii chemicznej w mechaniczną zachodzący w cylindrach przebiegał stale z tą samą sprawnością.Uzyskana w jednostce czasu ilość energii mechanicznej byłaby wówczas wprost proporcjonalna do ilości dostarczonego paliwa, a przez to do prędkości obrotowej silnika.W rzeczywistości jednak ilość paliwa dostarczonego do cylindra, jak też sprawność procesu przebiegającego wewnątrz cylindrów, zmieniają się wraz z prędkością obrotową silnika.Wskutek tego przebieg momentu obrotowego nie zachodzi zgodnie z linią prostą poziomą.Jest to linia wybrzuszona ku górze, której maksimum znajduje się bliżej małych prędkości obrotowych silnika.Ważnym elementem w ocenie właściwości trakcyjnych silnika jest położenie tego maksimum, które wpływa na tzw.elastyczność silnika, a więc jego zdolność do samoczynnego przystosowania się do zmiennych obciążeń i prędkości obrotowych.Wskaźnik ten ma szczególne znaczenie w obecnych czasach, gdy wzrasta lawinowo ilość samochodów uczestniczących w ruchu po drogach krajowych, często nie przygotowanych do tego wzmożonego ruchu.Dla silników trakcyjnych jest to bardzo ważny wskaźnik ich możliwości eksploatacyjnych.

Orientacyjną charakterystykę zewnętrzną silnika można wykonać już w fazie jego projektowania przy użyciu „wzorów Leidemanna” umożliwiających szybkie, przybliżone określenie charakterystyki zewnętrznej silnika spalinowego i na jej podstawie elastyczności silnika.Pozostaje sprawą otwartą, na ile wzory te są słuszne dla współczesnych silników spalinowych.W ich konstrukcji nastąpił bowiem znaczny postęp (zwłaszcza w przypadku układów dolotowych i układów rozrządu), powszechne stało się zastosowanie doładowania (zarówno silników z zapłonem samoczynnym, jak i iskrowym) oraz powszechnie wprowadzono w nich wtrysk paliwa.Wpływ wymienionych czynników na przebieg napełnienia silnika jest tak znaczny, że przebieg np.krzywej momentu obrotowego może znacznie różnić się od klasycznego (mogą np.występować dwa maksima tej krzywej).Dlatego też celowe wydało się szersze ujęcie tej problematyki niż dotychczas.

Postęp w budowie nowoczesnych silników będzie głównie związany z poprawą napełnienia uzyskaną przez doskonalenie sposobów doładowania oraz poprawą napełnienia uzyskaną przez doskonalenie sposobów doładowania oraz poprawą wytwarzania mieszaniny palnej, dzięki olbrzymiemu postępowi elektroniki.

ELASTYCZNOŚĆ SILNIKA
Z analizy charakterystyki zewnętrznej silnika przedstawionej na foliogramie wynika, że przy tej samej mocy oraz znamionowej prędkości obrotowej, może on mieć różny przebieg krzywej momentu obrotowego, a więc silnik będzie wykonywał różną pracę w zakresie użytecznych prędkości obrotowych.Wynika to z właściwości spalinowego silnika tłokowego, w którym moment obrotowy maksymalny Momax jest większy od momentu występującego przy znamionowej prędkości obrotowej wału korbowego (przynajmniej w pewnym zakresie prędkości obrotowej), to jego charakterystyka wyglądałaby jak na następnym foliogramie.

Krzywa momentu obrotowego byłaby hiperbolą, której asymptotami byłyby osie układu współrzędnych, bo w tym przypadku Mon=const.Przy stałej mocy silnika, niezależnej od prędkości obrotowej wału korbowego, nie byłaby potrzebna skrzynia biegów.Silnik byłby zdolny do wytworzenia siły napędowej na kołach, wystarczającej zawsze do pokonania oporów jazdy.Z powodów podanych wcześniej tłokowy silnik spalinowy nie jest w stanie sprostać tym czysto teoretycznym wymaganiom i dlatego na podstawie charakterystyki zewnętrznej określa się jego zdolność do reagowania na zmienne warunki pracy, zwaną elastycznością.

Elastyczność silnika spalinowego mówi o jego zdolności przystosowania się do zmiennych obciążeń i prędkości obrotowych.Dla silników trakcyjnych jest to bardzo istotny wskaźnik ich możliwości eksploatacyjnych.Liczbowym wyrazem elastyczności silnika jest współczynnik elastyczności.Można określić go między innymi na podstawie charakterystyki zewnętrznej silnika:

E = eM eN = (Momax/MN) (nN/nMomax)

gdzie:
eM – rozpiętość (elastyczność) momentu obrotowego;
eN – rozpiętość prędkości obrotowej;
Momax – maksymalny moment obrotowy silnika;
Mn – moment obrotowy odpowiadający mocy znamionowej;
nMomax – prędkość obrotowa maksymalnego momentu obrotowego;
nN – znamionowa prędkość obrotowa.

Pierwszy z czynników iloczynu przedstawia rozpiętość (elastyczność) momentu obrotowego i zależy on od przebiegu krzywej momentu obrotowego silnika.Przebieg ten z kolei zależy od wielu czynników takich, jak: parametry charakterystyczne układu dolotowego, charakterystyka rozrządu, charakterystyka układu zasilania.Przez zmianę tych parametrów można wpływać na przebieg krzywej momentu obrotowego Mo w kierunku pożądanym przez użytkownika, tak by silnik był dobrze przystosowany do wykonywanych zadań.Sposób realizacji poprawy elastyczności momentu obrotowego zależy od możliwości wykonawczych i analizy opłacalności danego rozwiązania w przypadku konkretnego silnika.Im bardziej krzywa momentu obrotowego ma charakter stromo opadający, tym łatwiej silnikowi dostosować się do wzrastającego obciążenia zewnętrznego.Jeśli chodzi o możliwości zmian drugiego czynnika iloczynu, to są one ściśle związane ze zmianą pierwszego czynnika polegającą na przemieszczeniu położenia maksimum krzywej momentu obrotowego Momax.Od położenia tego maksimum zależy rozpiętość prędkości obrotowej eN i przez wpływanie na nią można skutecznie sterować elastycznością silnika.

SPOSÓB OKREŚLANIA ELASTYCZNOŚCI SILNIKA
Uzyskanie dobrych właściwości dynamicznych silnika spalinowego powinno służyć polepszeniu właściwości dynamicznych pojazdu napędzanego przez ten silnik.Dotyczy to szczególnie pojazdów drogowych o dużej masie, które mogą wpływać na zmniejszenie płynności ruchu na skutek małej elastyczności silnika.Jak dotychczas, stosuje się różne miary do określenia właściwości dynamicznych silnika.Najczęściej jest to czas rozpędzania samochodu napędzanego przez oceniany silnik.Jako miernik tej właściwości stosuje się rozpędzanie poprzez biegi lub na biegu bezpośrednim, które też bywa używane jako miernik dynamiki silników czołgowych.Takie rozpatrywanie kryje w sobie wiele uproszczeń, ponieważ na wynik wpływają czynniki zewnętrzne (pogoda, stan drogi), których na ogół nie podaje się przy uzyskanych wynikach, a wpływ ich na proces rozpędzania jest znaczący.Wynik też jest zależny od przełożenia w układzie napędu oraz promienia dynamicznego koła, sprawności poszczególnych elementów układu przeniesienia napędu.

Uznano, że do wyeliminowania wielu zmiennych czynników występujących w czasie rozpędzania pojazdu najbardziej jest przydatny bieg bezpośredni, gdyż można wtedy porównać własności dynamiczne uzyskane z badań symulacyjnych z własnościami określonymi przez współczynnik elastyczności, które są niezależne od czynnika czasu rozpędzania silnika.Także bieg bezpośredni bywa używany do określenia elastyczności silników czołgowych.

Na podstawie danych przedstawionych w tabeli wynika, jak znacząco wpływa dobór przełożeń układu napędowego na czas rozpędzania samochodu, przy czym czasy rozpędzania obydwu modeli STAR różnią się dość znacznie od czasów rozpędzania pozostałych samochodów.I tak czas rozpędzania samochodu samochodu STAR 200 w porównaniu z samochodem MAN U, o najkrótszym czasie rozpędzania, jest dłuższy o 66,6%, mimo że moc jednostkowa samochodu STAR 200 jest o 11% większa. Podobnie ma się sprawa z samochodem STAR 1142, gdzie przy prawie równych masach jednostkowych (różnica 1,6%) czas ten jest dłuższy o 40%. Wyraźnie korzystniej kształtuje się natomiast wskaźnik dynamiczny, mimo że elastyczność całkowita silnika MAN jest mniejsza.Świadczy to o tym , że samochody Mercedes i MAN mają bardzo dobrze dobrane przełożenia w układzie napędowym jak też o tym, że czas rozpędzania samochodu, jako miernik właściwości dynamicznych silnika, jest narzędziem mało precyzyjnym.Jako potwierdzenie tej tezy może służyć to, że samochód MAN, mimo względnie małej masy jednostkowej oraz małej elastyczności silnika, ma zdecydowanie najkrótszy czas rozpędzania i najlepsze przyspieszenia (o 67% większe niż STAR 200), przewyższając w tym względzie wszystkie porównywane samochody.

Jak wynika z przytoczonych przykładów do oceny właściwości dynamiczych silnika znacznie bardziej przydatny jest współczynnik elastyczności silnika niż czas rozpędzania samochodu napędzanego przez ten silnik, czy też wynikające z niego przyspieszenie samochodu.Polepszenie elastyczności silnika jest skutecznym sposobem do skorygowania właściwości dynamicznych samochodu i dlatego FSC Starachowice, doceniając to, w nowej wersji samochodu STAR 1142 TURBO zastosowały ten sam silnik 359 M, ale o podwyższonej znacznie elastyczności dzięki turbodoładowaniu (T359 M) i zwiększeniu współczynnika rozpiętości obrotowej silnika.Postępowanie takie jest zgodne z tendencjami panującymi w chwili obecnej w odniesieniu do silników z wtryskiem bezpośrednim.Zabiegi te przy zmniejszeniu maksymalnej prędkości obrotowej silnika (co zwiększa jego trwałość) z 2800 do 2400 na minutę, przy jednoczesnym zwiększeniu wartości maksymalnego momentu obrotowego z 432 do 525 Nm i przemieszczeniu tego maksimum w kierunku mniejszych prędkości obrotowych, tj. z 1800 do 1400 na min. umożliwiło uzyskanie wartości współczynnika elastyczności 2,174, a więc o 21,5% wyższego, co jest osiągnięciem znaczącym.

Najprostszym sposobem określania elastyczności jest wyznaczenie na podstawie jego charakterystyki zewnętrznej wartości parametrów niezbędnych do wstawienia do wzoru podanego wcześniej zgodnie z rysunkiem na foliogramie i obliczenie jej wartości opierając się na ogólnie znanych zależnościach.

Jeżeli nie dysponujemy charakterystyką zewnętrzną silnika, podaną przez producenta lub wykonaną w czasie badań silnika w hamowni, można posłużyć się „wzorami Leidemanna” do określenia orientacyjnej charakterystyki zewnętrznej silnika.Do tego celu wystarczy znajomość mocy znamionowej silnika, znamionowej prędkości obrotowej oraz odpowiadającego jej jednostkowego zużycia paliwa.We wzorach tych występują wielkości opisane na folii.Wzory te uzależniają przebieg charakterystyki zewnętrznej silnika od rodzaju zapłonu: iskrowy lub samoczynny, a w przypadku samoczynnego – od rodzaju komory spalania: wtrysk bezpośredni, komora wstępna i komora wirowa.W przypadku wyznaczania mocy silnika przy poszczególnych rodzajach spalania wzory te różnią się jedynie współczynnikami liczbowymi przy odpowiednich stosunkach prędkości obrotowej.W celu przyspieszenia czynności wyznaczania orientacyjnej charakterystyki zewnętrznej „metodą Leidemanna” opracowano program pod nazwą ORIENT, który w znacznym stopniu ułatwia to zadanie, a wynik otrzymuje się w postaci rysunku charakterystyki z możliwością oznaczenia na niej dowolnej, interesującej nas prędkości obrotowej silnika i obliczoną wartością elastyczności.

ELASTYCZNOŚĆ WYBRANYCH GRUP SILNIKÓW WYSOKOPRĘŻNYCH.
Krajowe silniki wysokoprężne.

Dane zawarte na foliogramie dotyczą produkowanych w kraju silników wysokoprężnych, przy czym można wśród nich wyróżnić cztery zasadnicze grupy:

- silniki produkcji PZL-Mielec (SW680/1, SW680/17, SWT11/345 i SWT11/345/1);
- silniki produkcji WSW Andoria;
- silniki produkcji FSC Starachowice;
- silniki produkcji PZL-Wola.

Jak widać, jest to dosyć szeroki zakres silników o znacznym obszarze mocy użytecznych, doładowań i wolnossących, w przeważającej mierze o wtrysku bezpośrednim, co zapewnia im dobrą ekonomiczność pracy niezbędną w transporcie zarobkowym czy zastosowaniach wojskowych.Silniki te ulegały kolejnej modernizacji po wygaśnięciu licencji, na podstawie których były u nas produkowane.Ta ostatnia uwaga nie dotyczy silników starachowickich oraz silnika 4C90 skonstruowanego w kraju.

Średnia wartość współczynnika elastyczności dla nich nie jest co prawda imponująca, lecz widać stałe dążenie do poprawy wszystkich parametrów roboczych tych silników, co może dawać nadzieję na dalszy rozwój konstrukcji krajowych, tak by mogły sprostać zwiększonym wymaganiom użytkowników.

Silniki samochodów szwedzkich
Znana wytwórnia samochodów ciężarowych SCANIA w swoich najnowszych pojazdach serii 4 stosuje osiem silników wysokoprężnych z wtryskiem bezpośrednim.Większość z tych silników jest znana z pojazdów serii 3 i po odpowiedniej modyfikacji znajduje w dalszym ciągu zastosowanie.I tak np. w silniku DSC 9 zwiększono objętość skokową silnika z 8,5 do 9 dm3 przez powiększenie średnicy cylindra.Nowością w tej serii jest silnik o objętości skokowej 12 dm3.Są to silniki rzędowe, chłodzone wodą z turbodoładowaniem i chłodzeniem powietrza doładowującego.Dzięki modernizacji układu zasilania w paliwo i powietrze wszystkie te silniki spełniają normy emisji spalin EURO2.Zakres mocy użytecznej tych silników wynosi od 160 (220) do 390 kW (530 KM).
Przedstawione w tabeli wartości współczynnika elastyczności silników SCANIA serii 4 są duże, a biorąc pod uwagę to, że wszystkie silniki są turbodoładowane, nie sprzyja to wzrostowi elastyczności.Z drugiej zaś strony zastosowanie chłodzenia powietrza doładowującego może sprzyjać wzrostowi elastyczności.Średnia wartość współczynnika elastyczności E wynosząca 1,928 jest duża, jeśli porówna się ją z danymi zawartymi w tabeli wcześniejszej, gdzie średnia wartość wyniosła dla tej grupy silników 1,731, a więc o 11,5% mniej, co jest różnicą istotną z punktu widzenia właściwości trakcyjnych samochodu.W celu lepszego zobrazowania sytuacji silniki w tabeli uszeregowano wg malejącej wartości współczynnika elastyczności.