Proces wymiany ładunku - temat nr 2 (4).

a/ wymiana ładunku w silnikach 4-suwowych,

b/ wymiana ładunku w silnikach 2-suwowych,

c/ wskaźniki opisujące jakość przebiegu procesu wymiany ładunku,

d/ diagnostyka procesu wymiany ładunku.

Układ wymiany czynnika roboczego.

Silnik, w którym ciśnienie ładunki na początku procesu sprężania, w warunkach pracy znamionowej mocy i prędkości obrotowej, jest wyższe od ciśnienia otoczenia, nazywa się silnikiem doładowanym.

Wymiana czynnika roboczego stanowi fragment złożonego procesu roboczego silnika i w sposób zasadniczy wpływa na jego przebieg i jakość. Od skuteczności usunięcia spalin z przestrzeni roboczej i napełnienia jej świeżą dawką powietrza zależą:

• moc silnika,

• jego sprawność ogólna,

• obciążenia cieplne,

• jego trwałość i niezawodność.

Proces wymiany czynnika roboczego polega na:

• przygotowaniu powietrza (oczyszczeniu, sprężeniu, schłodzeniu),

• doprowadzeniu go do przestrzeni roboczej w określonej ilości i w określonej fazie,

• odprowadzeniu spalin.

Zgodnie z powyższym układ wymiany czynnika roboczego dzielimy na układy:

• ładowania (doładowania),

• rozrządu,

• wylotu.

Konstrukcyjnie rozwiązanie poszczególnych układów zależy od:

• zasady działania silnika ( cztero- lub dwusuwowy),

• stopnia jego doładowania,

• sposobu sterowania rozrządem czynnika roboczego,

• systemu płukania przestrzeni roboczej.

Schemat układu wymiany czynnika roboczego silnika dwusuwowego - rys.7.1;

Podstawy teoretyczne procesu wymiany czynnika roboczego - doładowania

Pojęcie czasoprzekroju.

Masa czynnika dopływającego do przestrzeni roboczej m=Vρ [kg]

gdzie: m-masa czynnika roboczego[kg],

V-objętość czynnika roboczego [m³],

ρ - gęstość czynnika roboczego [kg/m³].

Objętość czynnika roboczego V = cfτ[m³] = cF' [m³]

gdzie: c-prędkość przepływu [m/s],

f- przekrój przelotowy okien lub zaworów [m²]

τ-czas trwania przepływu [s].

iloczyn F'= f [m²] . τ [s] nazywamy czasoprzekrojem. - wykresy rys.7.2.(czasoprzekroje).

Parametry czynnika roboczego podczas procesu wymiany czynnika roboczego.

Prędkość przepływu.

• Średnia prędkość dolotu powietrza 50-80 m/s

• Średnia prędkość wylotu spalin 60-100 m/s

• Średnia prędkość przelotu czynnika przez okna w tulei cylindrowej 80-120 m/s na dolocie i 100 - 150 m/s na wylocie.

Gęstość czynnika roboczego ρ= p / RT [kg/m³]

gdzie: R - stała gazowa czynnika roboczego [J/kg.K];

p - cisnienie czynnika roboczego [Pa];

T - temperatura czynnika roboczego [K].

Ciśnienie czynnika roboczego.

Przebieg zmian ciśnienia - rys.7.3 silnik czterosuwowy; rys. 7.4- silnik dwusuwowy;

Dla silników czterosuwowych ciśnienie podczas suwu ładowania p_ł = (0,90 - 0,96)p_d.

Stosunek p_ł/p_d <1 i maleje ze wzrostem oporów przepływu, czyli ze wzrostem prędkości obrotowej i stopniem zanieczyszczenia kanałów przepływowych.

Temperatura czynnika roboczego.

T_d + ΔT + γT_r

T_ł = ________

1 + γ_r

gdzie:

T_d - temperatura powietrza na dolocie do przestrzeni roboczej.

T_r - temperatura reszty spalin, 800-900 K dla 2-suw; 650-800 K dla 4-suw.

ΔT - przyrost temperatury ładunku ; 20-30 K,

γ_r - współczynnik reszty spalin m_r / m_ł.; 00,2-00,4 dla 4-suwów; 0,04-008 dla 2-suwów z

przepłukaniem wzdłużnym i 0,12-014 dla 2suwów z przepłukaniem porzecznym.

Wskaźniki procesu wymiany czynnika roboczego - współczynniki porównawcze.

• Współczynnik reszty spalin γ_r = m_r / m_ł gdzie: m_r - masa spalin pozostałych w przestrzeni roboczej, m_ł - masa świeżego ładunku doprowadzonego do cylindra w jednym cyklu.

• Współczynnik napełnienia cylindra λ_n = m_ł / m_oł

• Współczynnik przepłukania λ_p =m_dł / m_ł , jest to stosunek masy powietrza dostarczonego do silnika podczas jednego cyklu roboczego m_dł do masy powietrza zamkniętego w przestrzeni roboczej m_ł.

• Współczynnik ilości powietrza ładującego λ_ł = V_Nd / V_s - stosunek objętości powietrza V_Nd dostarczonego w jednym cyklu do objętości skokowej cylindra V_s.

Im lepszy system przepłukania tym mniej powietrza potrzeba do usunięcia spalin z przestrzeni roboczej.

Istota i sposoby realizacji procesów doładowania.

Wymiana czynnika roboczego w silniku czterosuwowym.

Fazy procesu wymiany czynnika.

Proces wymiany czynnika składa się z szeregu procesów składowych:

• Otwieranie zaworów dolotowych,

• Odlot powietrza z zasobnika do przestrzeni roboczej,

• Otwieranie zaworów wylotowych,

• Wylot spalin z przestrzeni roboczej.

Rys.7.5 - przedstawia czasoprzekroje kątowe zaworów.

Faza I - otwarty zawór wylotowy.

Faza II - wylot spalin i dolot świeżego powietrza.

Faza III - otwarty zawór dolotowy.

Okres rozrządu - jest to kąt obrotu wału korbowego, podczas którego dany zawór jest otwarty.

Wykres rozrządu silnika czterosuwowego - rys.7.6.

Wymiana czynnika w silniku dwusuwowym.

Rys.7.7; rys 7.8; rys. 7.9 - charakterystyki przepłukania silników dwusuwowych.

Systemy płukania.

W zależności od kierunku przepływu czynnika roboczego w przestrzeni roboczej rozróżnia się następujące sposoby płukania - rys. 7.10.

• Poprzeczne

• Zwrotne.

• Poprzeczno-zwrotne.

• Wzdłużne.

Płukanie poprzeczne - najstarszy i najbardziej rozpowszechniony sposób płukania silników dwusuwowych, charakteryzujący się tym, że na obwodzie tulei okna dolotowe znajdują się naprzeciw okien wylotowych - rys. 7.10a; rys. 7.11.

Wysokość okien h dla przeciętnych warunków określonych parametrami

r/l = λ = 0,25; α_PW= 60 ^o przed DMP i α_PD = 40^o przed DMP wynosi

h_W = 0,2 S - okna wylotowe h_D = 0,12S - okna dolotowe

gdzie: S - skok tłoka, r- ramię korby, l - długość korbowodu

Płukanie zwrotne - stosowane w silnikach dużej mocy. Okna rozmieszczone są po jednej stronie obwodu tulei cylindrowej ( jedne nad drugimi) - rys.7.12.

Wadą jest niesymetryczne obciążenie cieplne tulei cylindrowej, głowicy i tłoka.

Płukanie poprzeczno - zwrotne: okna dolotowe rozmieszczone są na całym lub prawie całym obwodzie tulei cylindrowej, okna wylotowe tylko na części obwodu nad oknami dolotowymi.- rys.7.13.

Płukanie wzdłużne - najskuteczniejszy sposób płukania silników dwusuwowych.

Silniki te cechuje bardzo duża sprawność ogólna > 50% nieosiągalna przy innych systemach płukania-rys.7.14.

Czystość okien do i wylotowych oraz kanałów do i wylotowych jest jednym z podstawowych warunków skutecznego przepłukania i napełniania cylindra świeżym ładunkiem.

3

---