Wielkości charakterystyczne silnika

Każdy silnik spalinowy możemy scharakteryzować poprzez podanie kilku jego podstawowych wielkości.
Należą do nich:

1. Wymiary silnika
2. Stopień sprężania
3. Prędkość obrotowa, moment obrotowy, moc
4. Sprawność
5. Zużycie paliwa
6. Charakterystyka eksploatacyjna silnika

Przyjrzyjmy się więc co kryję się za tymi parametrami i o czym one świadczą.

1. Wymiary silnika.

Wymiary silnika - Pisząc "Wymiary silnika" miałem na myśli głównie wymiary komory spalania i układu korbowo tłokowego.

Podstawowe wielkości to:

* średnica cylindra "D",
* promień korby wału korbowego "r",
* skok tłoka "S"
* objętość skokowa silnika "Vss".

Między poszczególnymi wielkościami pokazanymi na rysunku zachodzą oczywiście zależności. I tak: skok tłoka S=2r czyli podwójnemu promieniowi wykorbienia (najlepiej widać to na rysunku). Skok tłoka przypada na obrót wału korbowego o 180° Objętość skokowa jednego cylindra:

Do wzoru należy podstawiać wielkości w dm.
W celu obliczenia pojemności skokowej silnika wystarczy przemnożyć objętość skokową jednego cylindra przez ilość cylindrów. Zatem Vss = i * Vs gdzie i - ilość cylindrów
GMP - oznacza oczywiście Górny Martwy Punkt czyli maksymalne górne położenie tłoka
DMP - oznacza oczywiście Dolny Martwy Punkt czyli maksymalne dolne położenie tłoka

2. Stopień sprężania.

Stopień sprężania - najprościej rzecz biorąc stopień sprężania jest to stosunek całkowitej objętości cylindra do objętości komory spalania. Objętość komory spalania Vk jest to przestrzeń znajdująca się nad GMP tłoka. Z kolei objętość całkowita jest sumą objętości skokowej i komory spalania. Tak właśnie ujmuje to wzór:
Stopień sprężania mówi nam o ile razy zmniejsza się objętość nad tłokiem w czasie sprężania. Daje to zatem informację o sile sprężania mieszanki. Większy stopień sprężania oznacza silniejsze sprężanie mieszanki. Dlatego stopnie sprężania w silnikach Diesla są znacznie większe. Wiadomo bowiem, że aby doszło do samozapłonu mieszanki w silniku Diesla musi być ona silnie sprężona. W silnikach benzynowych (ZI) stopień sprężania wynosi 6 - 10, natomiast w silnikach Diesla (ZS) wynosi 13 - 22.

3. Prędkość obrotowa, moment obrotowy i moc.

Prędkość obrotowa - oznaczana przez "n" i wyrażana najczęściej w obr/min określa jak często wał korbowy silnika obraca się w jednostce czasu. W tym miejscu przypomnę tylko jak zamieniać wartość prędkości obrotowej na prędkość kątową w zależności od tego jak wyrażona jest prędkość obrotowa "n".
Prędkość kątowa
gdy n wyrażone jest w [s-1]

gdy n wyrażone jest w [obr/min]

Moment obrotowy Mo - jest to moment przekazywany z wału korbowego silnika do układu napędowego. Nie jest to zatem rzeczywisty moment "na kołach" pojazdu, gdyż przy przechodzeniu przez układ napędowy wartość momentu obrotowego zostaje pomniejszona o straty, których wielkość zależy od sprawności układu przeniesienia napędu. Moment obrotowy możemy zmierzyć na hamowni. Ze względu na duże koszty zakupu takiego urządzenia nie jest ono jeszcze rozpowszechnione w Polsce na większą skalę.

Moc - oznaczana przez N, zgodnie z tym czego uczono nas już w szkole podstawowej, charakteryzuje możliwość wykonania przez silnik określonej pracy w pewnym czasie. Najłatwiej moc wyliczyć ze wzoru:
W takiej konfiguracji moment podstawiamy w kN * m, natomiast prędkość obrotową w s-1. Jednak moc silnika traktowana w oderwaniu od innych wielkości niewiele nam mówi o silniku. Należałoby wziąć pod uwagę z jakiej pojemności silnika uzyskiwana jest dana moc. Objętościowy wskaźnik mocy jest wielkością, która bierze to pod uwagę.

Wskaźnik ten pozwala na bardziej "realne" porównanie dwóch silników. Mówi bowiem o tym ile mocy udało się uzyskać z dm3 objętości.

4. Sprawność silnika.

Sprawność. W tym miejscu należy przytoczyć informację, która mówi o największej wadzie silnika spalinowego. W procesie przetwarzania energii chemicznej z paliwa na pracę mechaniczną (ruch pojazdu) bardzo duża część energii jest tracona. Zaledwie ok. 30% - 40% energii dostarczonej do silnika zostaje zamieniona na pracę użyteczną. Jak widać więcej niż połowa idzie jak to się mówi "w gwizdek". Niektórzy nawet zastanawiają się jak zespół o tak małej sprawności mógł zrewolucjonizować świat techniki.
Wadą silnika spalinowego jest również to, że maksymalny moment napędowy nie jest dostępny w całym zakresie prędkości. Pod względem sprawności i dostępności max. momentu obrotowego silnik spalinowy nie "dorównuje do pięt" silnikowi elektrycznemu. Tylko jak skutecznie wykorzystać silnik elektryczny w samochodzie? Ale to już zupełnie inna bajka :) Zasadnicze składniki strat pokazuje poniższy schemat zwany bilansem energetycznym silnika:


Sprawność efektywna (ogólna) silnika jest to następujący stosunek: Sprawność oczywiście jest mniejsza od 1. Wynik pomnożony przez 100 daje informacje ile procent energii dostarczonej do silnika zostało wykorzystane.
5. Zużycie paliwa.

Zużycie paliwa - Mam tutaj na myśli zużycie jednostkowe paliwa przez silnik gdyż to ono jest miarą wykorzystania paliwa doprowadzonego do silnika. Wielkość tę oznaczamy przez ge. Określa ona masę paliwa zużywana przez silnik w jednostce czasu na wytworzenie jednostki mocy.

Parametr tej jest bardzo ważny ponieważ porównanie wartości ge dwóch silników natychmiast daje informacje, który z nich potrzebuje mniej paliwa na wytworzenie jednostki mocy, a zatem który z nich jest bardziej sprawny i ekonomiczny.
Ge użyte we wzorze jest to zużycie sekundowe, czyli ilość paliwa zużywana przez silnik w ciągu jednej sekundy.

6. Charakterystyka eksploatacyjna silnika.

Parametry, które opisywałem wcześniej (moc, moment, zużycie paliwa) nie pozostają stałe, lecz zmieniają się ze zmianą prędkości obrotowej. Zmiany tych parametrów zilustrowane na wykresach nazywamy właśnie charakterystykami eksploatacyjnymi silnika. Przedstawiam na rysunkach poniżej charakterystyki eksploatacyjne silnika z zapłonem iskrowym (ZI) oraz silnika z zapłonem samoczynnym (ZS). Są to charakterystyki silników pracujących w samochodzie Skoda Fabia.


Silnik 1.4 MPI
Moc max. 74 kW osiągana przy 6000 obr/min
Moment max. 126 Nm osiągany przy 4000 obr/min Silnik 1.9 SDI
Moc max. 47 kW osiągana przy 4000 obr/min
Moment max. 125 Nm osiągany w zakresie 1600 - 2800 obr/min
Jak widać z powyższych wykresów moc silnika wzrasta wraz ze wzrostem prędkości obrotowej do pewnej wartości. Pomimo dalszego wzrostu prędkości obrotowej silnika mamy do czynienia ze spadkiem mocy.
Podobnie jest z przebiegiem krzywej momentu napędowego. W przypadku silnika Diesla przebieg momentu napędowego jest bardziej płaski. Maksymalny moment jest osiągany w pewnym zakresie prędkości obrotowych silnika, a nie przy jednej konkretnej prędkości, jak ma to miejsce w silnikach benzynowych. Jest to ważna zaleta silnika Diesla. Mamy bowiem większą możliwość wykorzystania maksymalnego momentu. Na dodatek jest on dostępny już przy mniejszej prędkości obrotowej silnika. W praktyce oznacza to, że nie trzeba wprowadzać silnika na wyższe obroty aby poczuć że samochód "ciągnie do przodu". Dynamiczna jazda Dieslem jest przez to osiągana mniejszym nakładem zużytego paliwa. Poza tym ten, kto jeździł zarówno Dieslem jak i benzyną z pewnością zauważył, że rzadziej zmieniamy biegi w samochodzie z silnikiem Diesla.
Warto zaznaczyć, że najmniejsze jednostkowe zużycie paliwa jest osiągane mniej więcej przy maksymalnej wartości momentu napędowego. Po przekroczeniu obrotów silnika odpowiadających maksymalnemu Mo wzrasta moc a więc i prędkość maksymalna samochodu. Maleje za to moment i wzrasta zużycie paliwa.
Znając charakterystykę eksploatacyjną swojego samochodu kierowca jest w stanie lepiej prowadzić tzw. "jazdę ekonomiczną". Bardzo pomaga tu fakt wyposażenia licznika samochodu w obrotomierz. Charakterystyki przedstawione na rysunkach, jak również charakterystyki przedstawiane w dokumentacji technicznej pojazdów, są wykreślone przy maksymalnym obciążeniu silnika. Nie pokazują one przebiegu krzywych przy obciążeniach pośrednich.