Silnik cieplny oparty na nowej zasadzie termodynamiki. Wpływ temperatury na silnik spalinowy Silnik przy małej różnicy temperatur

Wysłane:

Biorąc pod uwagę temat pozyskiwania energii elektrycznej w terenie, jakoś zupełnie straciliśmy z oczu taki konwerter energii cieplnej na energię mechaniczną (a dalej na elektryczność), jak silniki spalinowe. W tej recenzji rozważymy niektóre z nich, które są dostępne nawet do samodzielnej produkcji przez amatorów.

Właściwie wybór konstrukcji takich silników jest niewielki - silniki parowe i turbiny, silnik Stirlinga w różnych modyfikacjach oraz silniki egzotyczne, np. Próżniowe. Na razie odrzucimy silniki parowe, ponieważ do tej pory nie zrobiono na nich nic małego i łatwo powtarzalnego, ale zwrócimy uwagę na silniki Stirlinga i próżniowe.
Podaj klasyfikację, typy, zasadę działania itp. Nie będzie mnie tutaj - kto tego potrzebuje, bez problemu znajdzie to wszystko w internecie.

Najogólniej mówiąc, prawie każdy silnik cieplny można traktować jako generator drgań mechanicznych, który wykorzystuje do działania stałą różnicę potencjałów (w tym przypadku termiczną). Warunki samowzbudzenia takiego silnika, jak w każdym generatorze, są zapewniane przez opóźnione sprzężenie zwrotne.

Opóźnienie to jest spowodowane albo sztywnym połączeniem mechanicznym przez korbę, albo za pomocą połączenia sprężystego lub, jak w silniku „wolno nagrzewającym się”, za pomocą bezwładności cieplnej regeneratora.

Optymalnie z punktu widzenia uzyskania maksymalnej amplitudy oscylacji usunięcie maksymalnej mocy z silnika, gdy przesunięcie fazowe ruchu tłoków wynosi 90 stopni. W silnikach z mechanizmem korbowym przesunięcie to jest wyznaczane przez kształt korby. W silnikach, w których takie opóźnienie jest realizowane za pomocą sprzęgła sprężystego lub bezwładności cieplnej, to przesunięcie fazowe jest wykonywane tylko przy określonej częstotliwości rezonansowej, przy której moc silnika jest maksymalna. Jednak silniki bez mechanizmu korbowego są bardzo proste i dlatego bardzo atrakcyjne w produkcji.

Po tym małym wstępie teoretycznym myślę, że ciekawiej będzie przyjrzeć się modelom, które zostały faktycznie zbudowane i które mogą nadawać się do użytku w warunkach mobilnych.

YouTube oferuje następujące funkcje:

Niskotemperaturowy silnik Stirlinga dla niskich różnic temperatur,

Silnik Stirlinga do dużych gradientów temperatur,

Silnik "wolno nagrzewający się", inne nazwy to Lamina Flow Engine, termoakustyczny silnik Stirlinga (choć ta ostatnia nazwa jest niepoprawna, gdyż istnieje odrębna klasa silników termoakustycznych),

Silnik Stirlinga z wolnym tłokiem (silnik Stirlinga z wolnym tłokiem),

Silnik odkurzacza (FlameSucker).

Wygląd najbardziej typowych przedstawicieli przedstawiono poniżej.

Niskotemperaturowy silnik Stirlinga.

Wysokotemperaturowy silnik Stirlinga.
(Swoją drogą zdjęcie przedstawia płonącą żarówkę zasilaną ganeratorem podłączonym do tego silnika)

Silnik przepływu blaszki

Wolny silnik tłokowy.

Silnik próżniowy (pompa płomieniowa).

Rozważmy bardziej szczegółowo każdy z typów.

Zacznijmy od niskotemperaturowego silnika Stirlinga. Taki silnik może pracować przy różnicy temperatur dosłownie kilku stopni. Ale usunięta z niego moc będzie niewielka - ułamki i jednostki Watów.
Lepiej jest obserwować pracę takich silników na wideo, w szczególności na stronach takich jak YouTube, prezentowana jest ogromna liczba kopii roboczych. Na przykład:

Niskotemperaturowy silnik Stirlinga

W tej konstrukcji silnika górna i dolna płyta muszą mieć różne temperatury, ponieważ jeden z nich to źródło ciepła, drugi to chłodnica.

Drugi typ silników Stirlinga można już wykorzystać do uzyskania mocy w jednostkach lub nawet kilkudziesięciu watów, co jest całkiem możliwe do zasilania większości urządzeń elektronicznych w warunkach polowych. Przykład takich silników pokazano poniżej.

Silnik Stirlinga

Na YouTube jest wiele takich silników, a niektóre są zrobione z tego materiału ... ale działają.

Urzeka prostotą. Jego schemat pokazano na poniższym rysunku.

Powolny silnik grzewczy

Jak już wspomniano, obecność korby jest również tutaj opcjonalna, wystarczy przekształcić oscylacje tłoka w obrót. Jeśli usuwanie energii mechanicznej i dalsze jej przekształcanie odbywa się za pomocą opisanych już schematów, to konstrukcja takiego generatora może okazać się bardzo, bardzo prosta.

Wolny silnik tłokowy Stirlinga.
W tym silniku tłok wypierający jest połączony z tłokiem siły za pomocą połączenia elastycznego. W tym przypadku przy częstotliwości rezonansowej układu jego ruch pozostaje w tyle za oscylacjami tłoka mocy, które wynosi około 90 stopni, co jest wymagane do normalnego wzbudzenia takiego silnika. W rzeczywistości uzyskuje się generator drgań mechanicznych.

Silnik próżniowy, w przeciwieństwie do innych wykorzystuje efekt w swojej pracy kompresja gaz, gdy się ochładza. Działa to następująco: najpierw tłok zasysa płomień palnika do komory, następnie ruchomy zawór zamyka otwór zasysający a gaz chłodząc i kurcząc wymusza ruch tłoka w przeciwnym kierunku.
Poniższy film doskonale ilustruje działanie silnika:

Schemat działania silnika próżniowego

A poniżej tylko przykład wyprodukowanego silnika.

Silnik odkurzacza

Wreszciezauważamy, że chociaż sprawność takich domowych silników wynosi co najwyżej kilka procent, ale nawet w tym przypadku takie mobilne generatory mogą generować ilość energii wystarczającą do zasilania urządzeń mobilnych. Generatory termoelektryczne mogą stanowić dla nich realną alternatywę, ale ich sprawność wynosi również 2 ... 6% przy porównywalnych parametrach wagowych i gabarytowych.

W końcu moc cieplna nawet prostych lamp alkoholowych wynosi kilkadziesiąt watów (a przy ogniu - kilo watów), a zamiana co najmniej kilku procent tego strumienia ciepła na mechaniczną, a potem elektryczną, już pozwala uzyskać całkiem akceptowalne moce nadające się do ładowania rzeczywistych urządzeń ...

Pamiętajmy, że np. Moc baterii słonecznej zalecana do ładowania PDA czy komunikatora to około 5 ... 7W, ale nawet te waty bateria słoneczna da tylko w idealnych warunkach oświetleniowych, a właściwie mniej. Dlatego nawet przy wytwarzaniu kilku watów, ale niezależnie od pogody, silniki te będą już dość konkurencyjne, nawet z tymi samymi panelami słonecznymi i generatorami termicznymi.

Kilka linków.

Na tej stronie można znaleźć dużą liczbę rysunków przedstawiających modele silników Stirlinga.

Strona www.keveney.com zawiera animowane modele różnych silników, w tym Stirlings.

Polecam też zajrzeć na stronę http://ecovillage.narod.ru/, zwłaszcza że jest tam zamieszczona książka „Walker G. Maszyny działające na cyklu Stirlinga. 1978”. Można go pobrać jako pojedynczy plik w formacie djvu (około 2 MB).

w cylindrze zadziała trochę płynu. A od ruchu tłoka, podobnie jak w silniku parowym, za pomocą wału korbowego, zarówno koło zamachowe, jak i koło pasowe zaczną się obracać. Tak więc mechaniczny

Oznacza to, że wystarczy na przemian podgrzewać i chłodzić trochę płynu roboczego. W tym celu wykorzystano arktyczne kontrasty: naprzemiennie do cylindra dociera woda z podmorskiego lodu lub zimne powietrze; temperatura cieczy w cylindrze gwałtownie się zmienia i taki silnik zaczyna pracować. Nie ma znaczenia, czy temperatury są powyżej czy poniżej zera, wystarczy mieć między nimi różnicę. W takim przypadku oczywiście płyn roboczy do silnika należy dobrać tak, aby nie zamarzał w najniższej temperaturze.

Już w 1937 roku zaprojektowano silnik różnicy temperatur. Konstrukcja tego silnika różniła się nieco od opisanego schematu. Zaprojektowano dwa systemy rur, z których jeden musi znajdować się w powietrzu, a drugi w wodzie. Płyn roboczy w cylindrze jest automatycznie doprowadzany do kontaktu z jednym lub drugim systemem rur. Ciecz w rurach i cylindrze nie stoi w miejscu: jest cały czas napędzana pompami. Silnik ma kilka cylindrów i naprzemiennie dochodzą do rur. Wszystkie te urządzenia pozwalają przyspieszyć proces podgrzewania i chłodzenia cieczy, a co za tym idzie obrót wału, do którego przymocowane są tłoczyska. W efekcie uzyskuje się takie prędkości, że można je przenosić przez przekładnię na wał generatora elektrycznego, a tym samym energię cieplną otrzymaną z różnicy temperatur można zamienić na energię elektryczną.

Pierwszy silnik różnicowy został zaprojektowany tylko dla stosunkowo dużych różnic temperatur, rzędu 50 °. Była to mała elektrownia o mocy 100 kW

o różnicy temperatur między powietrzem a wodą z gorących źródeł, które są dostępne tu i ówdzie na północy.

Na tej instalacji można było sprawdzić konstrukcję silnika różnej temperatury i, co najważniejsze, zgromadzić materiał doświadczalny. Następnie zbudowano silnik, który wykorzystuje mniejsze różnice temperatur - między wodą morską a zimnym powietrzem arktycznym. Budowa stacji różnicowej temperatury stała się możliwa wszędzie.

Nieco później skonstruowano kolejne źródło energii elektrycznej o różnej temperaturze. Ale to nie był już silnik mechaniczny, ale urządzenie działające jak ogromne ogniwo galwaniczne.

Jak wiadomo, w ogniwach galwanicznych zachodzi reakcja chemiczna, w wyniku której uzyskiwana jest energia elektryczna. Wiele reakcji chemicznych obejmuje wydzielanie lub pochłanianie ciepła. Możesz wybrać takie elektrody i elektrolit, że nie będzie reakcji, dopóki temperatura ogniw pozostanie niezmieniona. Ale gdy tylko się rozgrzeją, zaczną dawać prąd. I tutaj temperatura absolutna nie ma znaczenia; ważne jest tylko, aby temperatura elektrolitu zaczęła rosnąć w stosunku do temperatury powietrza otaczającego instalację.

Tak więc i w tym przypadku, jeśli taka instalacja zostanie umieszczona w zimnym arktycznym powietrzu i doprowadzona zostanie do niej „ciepła” woda morska, uzyskamy energię elektryczną.

Instalacje z różnicą temperatur były już dość powszechne w Arktyce w latach 50-tych. To były dość potężne stacje.

Stacje te zostały zainstalowane na pirsie w kształcie litery T. Głęboko wsuwającym się w zatokę morską. Takie rozmieszczenie stacji skraca rurociągi łączące ciecz roboczą instalacji różnicowo-ciemnej z wodą morską. Instalacja wymaga sporej głębokości wnęki dla dobrego pabota, w pobliżu stacji powinny znajdować się duże masy wody, aby po ochłodzeniu w wyniku wymiany ciepła do silnika nie zamarzała.

Elektrownia różnicowa

Elektrownia wykorzystująca różnicę temperatur wody i powietrza zainstalowana jest na joli, która wbija się głęboko w zatokę. Na „dachu budynku elektrowni widoczne są cylindryczne chłodnice powietrza. Z chłodnic powietrza biegną rurki, którymi doprowadzany jest płyn roboczy do każdego silnika. Rury schodzą również z silnika do chłodnicy wody zanurzonej w morzu (nie pokazano na rysunku). Silniki są podłączone do elektrycznych. „generatory poprzez przekładnie (na rysunku widoczne są na otwartej części budynku, pośrodku między silnikiem ^ prądnica), w których za pomocą przekładni ślimakowej zwiększa się ilość obrotów. Z generatora energia elektryczna trafia do transformatorów zwiększających napięcie (transformator / pory są po lewej stronie Części

budynek nieotwarty na rysunku) oraz od transformatorów do rozdzielnic (piętro na pierwszym planie), a następnie do linii przesyłowej. Część prądu trafia do ogromnych elementów grzejnych zanurzonych w morzu (nie są one widoczne na rysunku). Tworzę port przeciw zamarzaniu.

Wpływ temperatury na silnik spalinowy

Większość energii cieplnej jest usuwana z silnika do układu chłodzenia i odprowadzana wraz ze spalinami. Odprowadzenie ciepła do układu chłodzenia jest konieczne, aby zapobiec spalaniu się pierścieni tłokowych, przypaleniu gniazd zaworów, zatarciu tłoka, pęknięciu głowicy cylindrów, detonacji itp. pompa. Przy chłodzeniu powietrzem moc pobierana do napędzania wentylatora jest wyższa ze względu na konieczność przezwyciężenia dużego oporu aerodynamicznego, jaki powstaje w wyniku użebrowania głowic i cylindrów.

Aby zmniejszyć straty, ważne jest, aby dowiedzieć się, ile ciepła należy odprowadzić do układu chłodzenia silnika i jak można zmniejszyć tę ilość. G. Ricardo przywiązywał dużą wagę do tej kwestii już na początkowym etapie rozwoju budowy silników. Na eksperymentalnym silniku jednocylindrowym z oddzielnymi układami chłodzenia głowicy cylindra i cylindra przeprowadzono eksperymenty w celu pomiaru ilości ciepła odprowadzanego do tych układów. Mierzono również ilość ciepła usuwanego przez chłodzenie w poszczególnych fazach cyklu pracy.

Czas spalania jest bardzo krótki, ale w tym okresie ciśnienie gazu znacznie wzrasta, a temperatura dochodzi do 2300-2500 ° C. Podczas spalania w cylindrze intensywnie zachodzą procesy ruchu gazu, przyczyniając się do wymiany ciepła na ścianki cylindra. Ciepło zaoszczędzone w tej fazie cyklu roboczego można przekształcić w użyteczną pracę podczas kolejnego suwu rozprężania. Podczas spalania około 6% energii cieplnej zawartej w paliwie jest tracone w wyniku wymiany ciepła na ścianki komory spalania i cylindra.

Podczas suwu rozprężania około 7% energii cieplnej paliwa jest przenoszone na ścianki cylindra. Podczas rozszerzania tłok przesuwa się z GMP do DMP i stopniowo uwalnia rosnącą powierzchnię ścian cylindra. Jednak tylko około 20% zaoszczędzonego ciepła nawet przy długim okresie rozszerzalności można zamienić na użyteczną pracę.

Około połowa ciepła odprowadzanego do układu chłodzenia przypada na cykl wydechowy. Spaliny opuszczają cylinder z dużą prędkością i są gorące. Część ich ciepła jest odprowadzana do układu chłodzenia przez zawór wydechowy i otwór wydechowy głowicy cylindrów. Bezpośrednio za zaworem przepływ gazów zmienia kierunek o prawie 90 °, powstają wiry, które intensyfikują przenoszenie ciepła do ścianek kanału wylotowego.

Spaliny należy usuwać z głowicy cylindra jak najkrótszą drogą, gdyż przekazywane do niej ciepło znacznie obciąża układ chłodzenia i wymaga wykorzystania części efektywnej mocy silnika do usunięcia go do powietrza otoczenia. W okresie uwalniania gazu około 15% ciepła zawartego w paliwie jest odprowadzane do układu chłodzenia. Bilans cieplny silnika benzynowego podano w tabeli. osiem.

Tabela 8. Bilans cieplny silnika benzynowego

Silnik wysokoprężny ma różne warunki rozpraszania ciepła. Ze względu na wyższy stopień sprężania temperatura gazów opuszczających cylinder jest znacznie niższa. Z tego powodu ilość ciepła usuwanego podczas suwu wydechu jest mniejsza i w niektórych przypadkach wynosi około 25% całkowitego ciepła oddanego do układu chłodzenia.

Ciśnienie i temperatura gazów podczas spalania w silniku wysokoprężnym jest wyższe niż w silniku benzynowym. Wraz z dużymi prędkościami obrotowymi gazów w cylindrze, czynniki te przyczyniają się do wzrostu ilości ciepła przenoszonego do ścian komory spalania. Podczas spalania wartość ta wynosi około 9%, a podczas ekspansji - 6%. Podczas suwu wydechu 9% energii zawartej w paliwie jest usuwane do układu chłodzenia. Bilans cieplny silnika wysokoprężnego podano w tabeli. dziewięć.

Tabela 9. Bilans ciepła oleju napędowego

Ciepło wytwarzane przez tarcie tłoka o ścianki cylindra w silniku benzynowym wynosi około 1,5%, aw silniku wysokoprężnym około 2% jego całkowitej ilości. To ciepło jest również przekazywane do układu chłodzenia. Należy zaznaczyć, że podane przykłady stanowią wyniki pomiarów przeprowadzonych na badaniach silników jednocylindrowych i nie charakteryzują silników samochodowych, a służą jedynie do wykazania różnic w bilansach cieplnych silnika benzynowego i wysokoprężnego.

CIEPŁO PRZEPROWADZANE DO UKŁADU CHŁODZENIA

Układ chłodzenia usuwa około 33% energii cieplnej zawartej w używanym paliwie. Już u zarania rozwoju silników spalinowych rozpoczęto poszukiwania sposobów na przekształcenie przynajmniej części ciepła odprowadzanego do układu chłodzenia na efektywną moc silnika. W tamtym czasie na szeroką skalę i raczej efektywnie stosowano silnik parowy z izolowanym termicznie cylindrem, dlatego też, oczywiście, próbowano zastosować tę metodę izolacji termicznej do silnika spalinowego. Eksperymenty w tym kierunku przeprowadzali wybitni specjaliści, jak np. R. Diesel. Jednak eksperymenty ujawniły istotne problemy.

W mechanizmie korbowym stosowanym w silnikach spalinowych ciśnienie gazu na tłoku oraz siła bezwładności mas poruszających się translacyjnie dociskają tłok do ścianki cylindra, co przy dużej prędkości tłoka wymaga dobrego smarowania tej pary ciernej. W takim przypadku temperatura oleju nie powinna przekraczać dopuszczalnych granic, co z kolei ogranicza temperaturę ścianki cylindra. Dla nowoczesnych olejów silnikowych temperatura ścianki cylindra nie powinna być wyższa niż 220 ° C, natomiast temperatura gazów w cylindrze podczas spalania i rozprężania jest o rząd wielkości wyższa, dlatego cylinder musi być chłodzony.

Kolejny problem związany jest z utrzymaniem normalnej temperatury zaworu wylotowego. Wytrzymałość stali spada w wysokich temperaturach. Dzięki zastosowaniu specjalnej stali jako materiału zaworu wydechowego, jego maksymalna dopuszczalna temperatura może wzrosnąć do 900 ° C.

Temperatura gazów w cylindrze podczas spalania osiąga 2500-2800 ° C. Gdyby ciepło przekazywane do ścian komory spalania i cylindra nie zostało usunięte, to ich temperatura przekraczałaby dopuszczalne wartości dla materiałów, z których te części są wykonane. Wiele zależy od prędkości gazu w pobliżu ściany. Praktycznie niemożliwe jest określenie tej prędkości w komorze spalania, ponieważ zmienia się ona podczas całego cyklu pracy. Podobnie trudno jest określić różnicę temperatur między ścianą cylindra a powietrzem. Na wlocie i na początku sprężania powietrze jest zimniejsze niż ściany cylindra i komora spalania, w związku z czym ciepło jest przenoszone ze ściany do powietrza. Zaczynając od określonego położenia tłoka podczas suwu sprężania, temperatura powietrza wzrasta powyżej temperatur ścianek, a kierunek przepływu ciepła zmienia się, czyli ciepło jest przenoszone z powietrza na ścianki cylindra. Obliczanie wymiany ciepła w takich warunkach jest problemem o dużej złożoności.

Ostre zmiany temperatury gazów w komorze spalania wpływają również na temperaturę ścian, która w trakcie jednego cyklu oscyluje na powierzchni ścian i na głębokości mniejszej niż 1,5-2 mm, a głębiej jest ustawiona na pewną średnią wartość. Przy obliczaniu wymiany ciepła należy przyjąć tę średnią wartość temperatury dla zewnętrznej powierzchni ściany cylindra, z której ciepło jest przenoszone do chłodziwa.

Na powierzchni komory spalania znajdują się nie tylko wymuszone chłodzenie, ale także denko tłoka i tarcze zaworowe. Przenikanie ciepła do ścianek komory spalania hamuje warstwa osadów węglowych, a do ścian cylindra - film olejowy. Głowice zaworów muszą być płaskie, aby zapewnić minimalną powierzchnię dla gorących gazów. Po otwarciu zawór dolotowy jest chłodzony przepływem napływającego ładunku, podczas gdy zawór wydechowy jest bardzo gorący podczas pracy przez spaliny. Trzpień tego zaworu jest chroniony przed gorącymi gazami długą prowadnicą, która prawie sięga do dysku zaworu.

Jak już wspomniano, maksymalna temperatura zaworu wydechowego jest ograniczona oporem cieplnym materiału, z którego jest wykonany. Ciepło z zaworu odprowadzane jest głównie poprzez jego gniazdo do schłodzonej głowicy cylindrów i częściowo przez prowadnicę, którą również trzeba chłodzić. W przypadku zaworów wydechowych pracujących w trudnych warunkach temperaturowych trzpień jest pusty i częściowo wypełniony sodem. Kiedy zawór jest podgrzewany, sód jest w stanie ciekłym, a ponieważ nie wypełnia całej wnęki pręta, gdy zawór się porusza, intensywnie się w nim porusza, odprowadzając w ten sposób ciepło z dysku zaworu do jego prowadnicy, a następnie do medium chłodzącego.

Tarcza zaworu wydechowego ma najmniejszą różnicę temperatur w stosunku do gazów w komorze spalania, dlatego podczas spalania oddaje do niej stosunkowo mało ciepła. Jednak po otwarciu zaworu wydechowego przenoszenie ciepła ze strumienia spalin do tarczy zaworu jest bardzo duże, co determinuje jego temperaturę.

SILNIKI ADIABATOWE

W silniku adiabatycznym cylinder i jego głowica nie są chłodzone, więc nie ma strat ciepła w wyniku chłodzenia. Ściskanie i rozszerzanie w cylindrze zachodzi bez wymiany ciepła ze ścianami, czyli adiabatycznie, podobnie jak w cyklu Carnota. Praktyczna implementacja takiego silnika wiąże się z następującymi trudnościami.

Aby nie było strumieni ciepła między gazami a ściankami cylindra, konieczne jest, aby temperatury ścian były równe temperaturze gazu w każdym momencie. Taka gwałtowna zmiana temperatury ściany w trakcie cyklu jest praktycznie niemożliwa. Cykl zbliżony do adiabatycznego byłby możliwy, gdyby temperatura ścian w trakcie cyklu mieściła się w przedziale 700-1200 ° C. Jednocześnie materiał ścian musi pozostać zdatny do pracy w warunkach takiej temperatury, a ponadto konieczna jest izolacja termiczna ścian, aby wyeliminować odprowadzanie z nich ciepła.

Tak przeciętną temperaturę ścianek cylindra można zapewnić tylko w jego górnej części, która nie styka się z głowicą tłoka i jego pierścieniami, przez co nie wymaga smarowania. W tym przypadku jednak nie można zapewnić, że gorące gazy nie będą spływać po nasmarowanej części ścianek cylindra, gdy tłok przesuwa się w kierunku DMP. Jednocześnie można założyć, że cylinder i tłok nie wymagają smarowania.

Dalsze trudności są związane z zaworami. Zawór wlotowy jest częściowo chłodzony powietrzem wlotowym. Chłodzenie to następuje na skutek wzrostu temperatury powietrza i ostatecznie prowadzi do utraty części mocy skutecznej i sprawności silnika. Przenikanie ciepła do zaworu podczas spalania można znacznie zmniejszyć dzięki izolacji termicznej dysku zaworu.

Warunki temperaturowe zaworu wydechowego są znacznie trudniejsze. Gorące gazy opuszczające cylinder mają dużą prędkość na przejściu dysku zaworu do trzpienia i silnie nagrzewają zawór. Dlatego dla uzyskania efektu adiabatyczności wymagana jest izolacja cieplna nie tylko tarczy zaworu, ale także jego trzpienia, z którego odprowadzanie ciepła odbywa się poprzez chłodzenie jego gniazda i prowadnicy. Dodatkowo cały kanał wydechowy w głowicy cylindrów musi być izolowany termicznie, aby ciepło spalin opuszczających cylinder nie było przenoszone przez jego ścianki do głowicy.

Jak już wspomniano, podczas suwu sprężania najpierw z gorących ścian cylindra ogrzewa się stosunkowo zimne powietrze. Ponadto podczas procesu sprężania temperatura powietrza wzrasta, kierunek przepływu ciepła zmienia się na przeciwny, a ciepło z ogrzanych gazów przenoszone jest na ścianki cylindra. Pod koniec sprężania adiabatycznego uzyskuje się wyższą wartość temperatury gazu w porównaniu ze sprężaniem w konwencjonalnym silniku, ale wymaga to więcej energii.

Podczas chłodzenia sprężonego powietrza zużywa się mniej energii, ponieważ potrzeba mniej pracy, aby skompresować mniejszą objętość powietrza z powodu chłodzenia. Tak więc chłodzenie cylindra podczas sprężania poprawia sprawność mechaniczną silnika. Z drugiej strony, w trakcie rozszerzania celowe jest zaizolowanie cylindra lub doprowadzenie ciepła do wsadu na początku tego skoku. Te dwa warunki wykluczają się wzajemnie i nie można ich realizować jednocześnie.

Chłodzenie sprężonym powietrzem można uzyskać w doładowanych silnikach spalinowych wewnętrznego spalania, doprowadzając powietrze po jego sprężeniu w sprężarce do chłodnicy międzystopniowej.

Dopływ ciepła do powietrza ze ścian cylindra na początku ekspansji jest możliwy w ograniczonym zakresie. Temperatury ścian komory spalania silnika adiabatycznego

bardzo wysoka, co powoduje nagrzewanie się powietrza wchodzącego do cylindra. Współczynnik napełnienia, a tym samym moc takiego silnika, będzie niższa niż w przypadku silnika z wymuszonym chłodzeniem. Tę wadę można wyeliminować za pomocą turbosprężarki, która wykorzystuje energię spalin; część tej energii może być przekazywana bezpośrednio do wału korbowego silnika za pośrednictwem turbiny napędowej (silnik turbo złożony).

Gorące ściany komory spalania silnika adiabatycznego zapewniają zapłon na nich paliwa, co z góry przesądza o zastosowaniu w takim silniku procesu pracy diesla.

Przy doskonałej izolacji termicznej komory spalania i cylindra temperatura ścianek rosłaby aż do osiągnięcia średniej temperatury cyklu na głębokości około 1,5 mm od powierzchni, tj. byłoby 800-1200 ° C. Takie warunki temperaturowe stawiają wysokie wymagania materiałom cylindra i częściom tworzącym komorę spalania, które muszą być termoodporne i posiadać właściwości termoizolacyjne.

Jak zaznaczono, cylinder silnika musi być nasmarowany. Zwykłe oleje można stosować do temperatury 220 ° C, powyżej której występuje ryzyko poparzenia i utraty elastyczności pierścieni tłokowych. Jeśli głowica cylindra jest wykonana ze stopu aluminium, to wytrzymałość takiej głowicy gwałtownie spada już przy temperaturze 250-300 ° C.Dopuszczalna temperatura ogrzewania zaworu wydechowego wynosi 900-1000 ° C. Podczas tworzenia silnika adiabatycznego należy kierować się tymi wartościami maksymalnych dopuszczalnych temperatur.

Największy sukces w rozwoju silników adiabatycznych odniosła firma Cummins (USA). Schemat silnika adiabatycznego opracowanego przez tę firmę pokazano na rys. 75, na którym pokazano izolowany termicznie cylinder, tłok i otwór wydechowy głowicy cylindrów. Temperatura spalin w izolowanej termicznie rurze wydechowej wynosi 816 ° C. Turbina połączona z rurą wydechową połączona jest z wałem korbowym poprzez dwustopniową przekładnię wyposażoną w tłumik drgań skrętnych.

Prototyp silnika adiabatycznego został oparty na sześciocylindrowym silniku wysokoprężnym NH. Schematyczny przekrój tego silnika pokazano na rys. 76, a jego parametry podano poniżej:

Liczba cylindrów ............................................... 6
Średnica cylindra, mm ...................................... 139,7
Skok tłoka, mm .............................................. ... 152.4
Częstotliwość obrotów, min-1 .................................. 1900
Maksymalne ciśnienie w cylindrze, MPa ..... 13
Rodzaj smaru ............................... Olej
Średnie ciśnienie efektywne, MPa ............... 1.3
Stosunek masy powietrza do paliwa ............... 27: 1
Temperatura powietrza na wlocie, ° С ................ 60

Oczekiwane rezultaty

Moc, kW ............................................. 373
Częstotliwość obrotów, min-1 ............................. 1900
Emisja NOx + CHx ..................................... 6,7
Specyficzne zużycie paliwa, g / (kW h) .......... 170
Żywotność, h ............................................ 250

W konstrukcji silnika szeroko stosowane są materiały szklano-ceramiczne o wysokiej odporności na ciepło. Jednak do tej pory nie było możliwe zapewnienie wysokiej jakości i długiej żywotności części wykonanych z tych materiałów.

Dużo uwagi poświęcono wykonaniu kompozytowego tłoka pokazanego na rys. 77. Ceramiczna głowica tłoka 1 podłączony do podstawy 2 specjalna śruba 3 z podkładką 4 . Maksymalna temperatura na środku głowy sięga 930 ° C. Od podstawy głowica jest izolowana termicznie przez pakiet cienkich stalowych przekładek 6 o bardzo nierównej i szorstkiej powierzchni. Każda warstwa opakowania posiada wysoką odporność termiczną dzięki małej powierzchni styku. Rozszerzalność cieplna śruby jest kompensowana za pomocą sprężyn talerzowych 5.

USUWANIE CIEPŁA DO POWIETRZA I JEGO PRZEPISY

Odprowadzenie ciepła przez układ chłodzenia powoduje nie tylko utratę energii cieplnej, która mogłaby zostać oddana do eksploatacji, ale także bezpośrednie straty części mocy czynnej silnika na skutek napędu wentylatora i pompy wodnej. Odprowadzanie ciepła z chłodzonej powierzchni S do otoczenia zależy od różnicy temperatur między tą powierzchnią a powietrzem ta także na współczynniku przenikania ciepła powierzchni chłodzącej do powietrza. Czynnik ten niewiele się zmienia, niezależnie od tego, czy powierzchnię chłodzącą tworzą żebra chłodnicy układu chłodzenia cieczą, czy żebra części silnika chłodzonego powietrzem. Przede wszystkim rozważ silniki z układami chłodzenia cieczą.

Ilość powietrza chłodzącego jest mniejsza, im więcej ciepła jest usuwane na jednostkę jego objętości, czyli tym bardziej powietrze chłodzące zostanie ogrzane. Wymaga to równomiernego rozprowadzenia powietrza na całej powierzchni chłodzącej i maksymalnej różnicy temperatur między nim a powietrzem. W chłodnicy układu chłodzenia cieczą powstają warunki, w których chłodzona powierzchnia ma prawie jednolite pole temperatur, a temperatura powietrza chłodzącego stopniowo rośnie w miarę przepływu przez chłodnicę, osiągając maksymalną wartość na wylocie z niej. Różnica temperatur między powietrzem a chłodzoną powierzchnią stopniowo maleje. Na pierwszy rzut oka wydaje się, że preferowany jest głęboki grzejnik, ponieważ powietrze w nim bardziej się nagrzewa, ale kwestię tę należy rozpatrywać z energetycznego punktu widzenia.

Współczynnik przenikania ciepła powierzchni a jest złożoną zależnością od wielu czynników, jednak największy wpływ na jego wartość ma natężenie przepływu powietrza w pobliżu powierzchni chłodzącej. Relację między nimi można przedstawić stosunkiem ~ 0,6-0,7.

Wraz ze wzrostem prędkości powietrza o 10%, odprowadzanie ciepła wzrasta tylko o 7%. Natężenie przepływu powietrza jest proporcjonalne do jego natężenia przepływu przez chłodnicę. Jeśli konstrukcja grzejnika się nie zmieni, to aby zwiększyć ilość usuwanego ciepła o 7%, prędkość wentylatora należy zwiększyć o 10%, ponieważ ilość powietrza dostarczanego przez wentylator zależy bezpośrednio od tego. Ciśnienie powietrza przy stałej powierzchni przekroju wentylatora zależy od drugiego stopnia jego prędkości obrotowej, a moc napędu wentylatora jest proporcjonalna do jego trzeciego stopnia. Tym samym wraz ze wzrostem prędkości wentylatora o 10% moc napędu wzrasta o 33%, co ma negatywne konsekwencje objawiające się pogorszeniem sprawności mechanicznej silnika.

Zależność ilości powietrza chłodzącego od ilości usuwanego ciepła, a także od wzrostu ciśnienia powietrza i mocy napędu wentylatora przedstawiono na rys. 78. Z punktu widzenia redukcji kosztów energii ten nomogram jest bardzo przydatny. Jeśli przednia powierzchnia chłodnicy zostanie zwiększona o 7%, wówczas obszary obszaru przepływu i powierzchni chłodzącej chłodnicy proporcjonalnie wzrosną, a zatem ilość powietrza chłodzącego wystarczy zwiększyć o te same 7%, aby usunąć 7% więcej ciepła, tj. Jak w przykład opisany powyżej. Jednocześnie moc wentylatora wzrasta tylko o 22,5% zamiast o 33%. Jeśli powietrze przepływa przez wentylator V wzrost z o 20% (kropka i strzałki 1 na rys. 78), to ilość usuwania i ciepła Q, proporcjonalna do V z0,3 , wzrośnie o 11,5%. Zmiana przepływu powietrza poprzez zwiększenie prędkości wentylatora o te same 20% prowadzi do wzrostu ciśnienia przepływu powietrza o 44%, a mocy napędu wentylatora o 72,8%. Aby w ten sam sposób zwiększyć rozpraszanie ciepła o 20%, zwiększ przepływ powietrza o 35,5% (kropki i kropkowane strzałki 2 na rys. 78), co oznacza wzrost ciśnienia powietrza o 84%, a moc napędu wentylatora - prawie 2,5-krotnie (o 149%). Dlatego bardziej korzystne jest zwiększenie powierzchni czołowej chłodnicy niż zwiększenie jej prędkości obrotowej przy tym samym radiatorze i wentylatorze.

Jeśli grzejnik jest podzielony na dwie równe części wzdłuż swojej głębokości, to różnica temperatur z przodu t1 będzie więcej niż z tyłu t2 i dlatego przód chłodnicy będzie bardziej chłodzony powietrzem. Dwa grzejniki, uzyskane poprzez podzielenie jednego na dwie części, będą miały mniejszy opór dla przepływu powietrza chłodzącego w głębi. Dlatego zbyt głęboki grzejnik jest niekorzystny w użyciu.

Grzejnik musi być wykonany z materiału o dobrej przewodności cieplnej, a jego odporność na przepływy powietrza i cieczy musi być niewielka. Masa chłodnicy i objętość znajdującego się w niej płynu również powinny być niewielkie, ponieważ jest to ważne dla szybkiego nagrzania silnika i włączenia układu ogrzewania w samochodzie. Nowoczesne samochody osobowe z niskim przodem wymagają niskich chłodnic.

Aby zminimalizować koszty energii, ważne jest osiągnięcie wysokiej wydajności wentylatora, dla którego zastosowano kanał powietrza prowadzącego, który ma małą szczelinę wzdłuż zewnętrznej średnicy wirnika wentylatora. Wirnik wentylatora jest często wykonany z tworzywa sztucznego, co gwarantuje dokładny kształt profilu łopatek, ich gładką powierzchnię i niski poziom hałasu. Przy dużych prędkościach takie ostrza odkształcają się, zmniejszając w ten sposób przepływ powietrza, co jest bardzo celowe.

Wysoka temperatura radiatora zwiększa jego wydajność. Dlatego obecnie stosuje się uszczelnione grzejniki, których nadciśnienie powoduje wzrost temperatury wrzenia chłodziwa, a co za tym idzie, temperatury całej matrycy chłodnicy, która może być mniejsza i lżejsza.

W przypadku silnika chłodzonego powietrzem obowiązują te same prawa, co w przypadku silnika chłodzonego cieczą. Różnica polega na tym, że żebra chłodzonych powietrzem części silnika mają wyższą temperaturę niż matryca chłodnicy, więc do usunięcia takiej samej ilości ciepła podczas chłodzenia powietrzem potrzeba mniej powietrza chłodzącego. Ta zaleta ma ogromne znaczenie podczas obsługi pojazdów w gorącym klimacie. Stół 10 przedstawia tryby pracy silników chłodzonych cieczą i powietrzem, gdy temperatura otoczenia zmienia się od 0 do 50 ° C. W przypadku silnika chłodzonego cieczą stopień chłodzenia spada o 45,5%, podczas gdy w przypadku silnika chłodzonego powietrzem w tych samych warunkach tylko o 27,8%. W przypadku silnika chłodzonego cieczą oznacza to masywniejszy i bardziej energochłonny układ chłodzenia. W przypadku silnika chłodzonego powietrzem wystarczy niewielka modyfikacja wentylatora.

Tabela 10. Sprawność chłodzenia silnika układami chłodzenia cieczą i powietrzem w zależności od temperatury zewnętrznej

Sterowanie chłodzeniem zapewnia dużą oszczędność energii. Chłodzenie można ustawić tak, aby było zadowalające przy maksymalnym obciążeniu silnika i maksymalnej temperaturze otoczenia. Jednak przy niższych temperaturach otoczenia i przy częściowym obciążeniu silnika chłodzenie to jest naturalnie zbędne i należy je ponownie wyregulować, aby zmniejszyć zużycie i sprawność mechaniczną silnika. W przypadku silników chłodzonych cieczą odbywa się to zwykle poprzez dławienie przepływu płynu przez chłodnicę. W takim przypadku pobór mocy wentylatora się nie zmienia, az energetycznego punktu widzenia taka regulacja nie przynosi żadnych korzyści. Na przykład, aby schłodzić silnik o mocy 50 kW w temperaturze 30 ° C, zużywa się 2,5 kW, a przy temperaturze 0 ° C i obciążeniu silnika równym 50% pełnego wystarczyłoby tylko 0,23 kW. Zakładając, że wymagana ilość powietrza chłodzącego jest proporcjonalna do różnicy temperatur między powierzchnią chłodnicy a powietrzem, przy 50% obciążeniu silnika do jego schłodzenia wystarcza również połowa natężenia przepływu powietrza sterowanego prędkością wentylatora. Oszczędności energii, a co za tym idzie, zużycia paliwa przy takiej regulacji mogą być dość znaczne.

Dlatego obecnie szczególną uwagę zwraca się na regulację chłodzenia. Najwygodniejszą regulacją jest zmiana prędkości wentylatora, ale do jej wykonania niezbędny jest napęd zmienny.

Wyłączenie napędu wentylatora ma taki sam cel jak zmiana jego prędkości. W tym celu wygodnie jest użyć sprzęgła elektromagnetycznego, które jest włączane przez termostat w zależności od temperatury płynu (lub głowicy cylindrów). Jeśli sprzęgło jest włączane przez termostat, to regulacja odbywa się nie tylko w zależności od temperatury otoczenia, ale także obciążenia silnika, co jest bardzo skuteczne.

Wentylator jest wyłączany za pomocą sprzęgła lepkościowego na kilka sposobów. Jako przykład rozważmy sprzęgło wiskotyczne firmy Holset (USA).

Najprostsza metoda wykorzystuje ograniczenie przenoszonego momentu obrotowego. Ponieważ moment obrotowy potrzebny do obrócenia wentylatora rośnie wraz ze wzrostem prędkości, zwiększa się również poślizg sprzęgła wiskotycznego, a przy określonej wartości poboru mocy wentylatora jego prędkość już się nie zwiększa (rys.79). Prędkość wentylatora przy nieregulowanym napędzie paskiem klinowym z wału korbowego silnika rośnie proporcjonalnie do prędkości obrotowej silnika (krzywa B), natomiast w przypadku napędu wentylatora przez sprzęgło wiskotyczne jego częstotliwość wzrasta tylko do godzv \u003d 2500 min-1 (krzywa rotacji Inieuregulowany napęd, rośnie proporcjonalnie do trzeciego ). Moc pobierana przez wentylator na poziomie prędkości i trybie maksymalnej mocy wynosi 8,8 kW. W przypadku wentylatora napędzanego przez sprzęgło lepkie obroty zwiększają się, jak wspomniano, do 2500 min-1, a częstotliwość wymagana w trybie mocy wentylatora wynosi 2 kW. Ponieważ dodatkowy 1 kW jest odprowadzany do ciepła w sprzęgle lepkim przy poślizgu 50%, ogólna oszczędność energii na napędzie wentylatora to mniejsze zużycie paliwa. Taka regulacja chłodzenia na poziomie 5,8 kW, jednak nawet to można uznać za zadowalające, zużycie powietrza nie wzrasta wprost proporcjonalnie do częstotliwości, ponieważ obroty silnika i prędkość ruchu pozostaje wzrostem głowicy prędkości, dodatkowo wraz ze wzrostem powietrza, co pomaga chłodzić silnik.

Inny rodzaj sprzęgła wiskotycznego firmy „Holset” zapewnia regulację reżimu cieplnego silnika oprócz temperatury otoczenia (rys. 80). Sprzęgło to różni się od wcześniej rozważanego tym, że ilość płynu w nim przenoszącego moment obrotowy zależy od temperatury zewnętrznej. Obudowa sprzęgła jest podzielona przegrodą 5 (patrz Rys. 81) na komorę tarczy napędowej 1 oraz komorę 2 objętości rezerwowej, połączoną zaworem 3. Zawór sterowany jest za pomocą termostatu bimetalicznego 4 w zależności od temperatury powietrza. Szufelka 6 dociskana sprężyną do tarczy służy do odprowadzania cieczy z tarczy i przyspieszenia jej przelewania się z komory krążka do objętości 2. Część cieczy stale znajduje się w komorze dysku napędowego i może przenosić niewielki moment obrotowy na wentylator. Na przykład przy temperaturze powietrza 40 ° C maksymalna prędkość wentylatora wynosi 1300 min-1, a pobór mocy nie przekracza 0,7 kW. Gdy silnik się nagrzewa, bimetaliczny termostat otwiera zawór, a część cieczy dostaje się do komory tarczy napędowej. Wraz ze wzrostem obszaru przepływu zaworu zwiększa się ilość cieczy wpływającej do komory dysku, a gdy zawór jest całkowicie otwarty, jego poziom w obu połówkach jest taki sam. Zmianę przenoszonego momentu obrotowego i prędkości wentylatora przedstawiają krzywe A2 (patrz Rys. 80).

W tym przypadku maksymalna prędkość obrotowa veptilatora wynosi 3200 min-1, a pobór mocy wzrasta do 3,8 kW. Maksymalne otwarcie zaworu odpowiada temperaturze otoczenia 65 ° C. Opisane sterowanie chłodzeniem silnika pozwala zmniejszyć zużycie paliwa w samochodach osobowych o 1 l / 100 km.

Potężne silniki mają jeszcze bardziej zaawansowane systemy sterowania chłodzeniem. W dieslach Tatra wentylator napędzany jest sprzęgłem hydraulicznym, w którym ilość oleju jest kontrolowana przez termostat w zależności od temperatury spalin i powietrza otoczenia. Odczyty czujnika temperatury w rurze wydechowej zależą głównie od obciążenia silnika oraz w mniejszym stopniu od jego prędkości. Opóźnienie tego czujnika jest bardzo małe, więc regulacja chłodzenia za jego pomocą jest doskonalsza.

Sterowanie chłodzeniem za pomocą prędkości wentylatora jest stosunkowo łatwe w każdym typie silnika spalinowego; Zmniejsza to ogólny hałas generowany przez pojazd.

W przypadku umieszczenia silnika przed pojazdem mechaniczny napęd wentylatora powoduje pewne utrudnienia i dlatego częściej stosuje się napęd elektryczny wentylatora. W takim przypadku sterowanie chłodzeniem jest znacznie uproszczone. Wentylatory z napędem elektrycznym nie powinny mieć dużego poboru mocy, dlatego mają tendencję do wykorzystywania efektu chłodzenia przez ciśnienie powietrza przy dużych prędkościach, gdy samochód jest w ruchu, ponieważ wraz ze wzrostem obciążenia silnika wzrasta prędkość samochodu, a tym samym ciśnienie powietrza przepływającego wokół niego przy dużych prędkościach. Napęd wentylatora elektrycznego działa tylko przez krótki czas podczas pokonywania długich podjazdów lub przy wysokich temperaturach otoczenia. Przepływ powietrza chłodzącego przez wentylator regulowany jest poprzez włączenie silnika elektrycznego za pomocą termostatu,

Jeśli chłodnica jest umieszczona daleko od silnika, na przykład w autobusie z silnikiem z tyłu, wentylator jest zwykle napędzany hydrostatycznie. Pompa hydrauliczna napędzana silnikiem autobusu dostarcza olej pod ciśnieniem przez hydrauliczny silnik tłokowy z tarczą krzywkową. Taki napęd jest bardziej skomplikowany i zaleca się jego stosowanie w silnikach dużej mocy.

IWYKORZYSTANIE CIEPŁA WYKONYWANEGO Z GAZÓW SPALINOWYCH

Gazy spalinowe silnika zawierają znaczną ilość energii cieplnej. Można go wykorzystać np. Do ogrzania samochodu. Ogrzewanie powietrza spalinami w wymienniku gazowo-powietrznym instalacji grzewczej jest niebezpieczne ze względu na możliwość wypalenia lub nieszczelności jego rur. Dlatego olej lub inny płyn niezamarzający podgrzewany przez spaliny służy do przenoszenia ciepła.

Jeszcze bardziej celowe jest wykorzystanie spalin do napędzania wentylatora chłodzącego. Przy dużych obciążeniach silnika spaliny mają najwyższą temperaturę, a silnik wymaga intensywnego chłodzenia. Dlatego użycie turbiny spalinowej do napędzania wentylatora układu chłodzenia jest wysoce wskazane i obecnie zaczyna znajdować zastosowanie. Taki napęd może automatycznie regulować chłodzenie, chociaż jest dość drogi.

Chłodzenie wyrzutowe można uznać za bardziej akceptowalne pod względem kosztów. Spaliny są odsysane z powietrza chłodzącego ejektora, które jest z nimi mieszane i odprowadzane do atmosfery. Takie urządzenie jest tanie i niezawodne, ponieważ nie ma ruchomych części. Przykład systemu chłodzenia wyrzutowego pokazano na rys. 82.

Chłodzenie wyrzutowe jest z powodzeniem stosowane w samochodach wyścigowych Tatra oraz w niektórych pojazdach specjalistycznych. Wadą systemu jest wysoki poziom hałasu, gdyż spaliny muszą być doprowadzane bezpośrednio do wyrzutnika, a usytuowanie za nim tłumika sprawia trudności.

Głównym sposobem wykorzystania energii spalin jest ich rozprężanie w turbinie, która jest najczęściej wykorzystywana do napędzania sprężarki odśrodkowej do doładowania silnika, a także do innych celów, np. Do wspomnianego napędu wentylatora; w silnikach z turbodoładowaniem jest bezpośrednio połączony z wałem korbowym silnika.

W silnikach wykorzystujących wodór jako paliwo ciepło spalin, a także ciepło odprowadzane do układu chłodzenia, można wykorzystać do podgrzania wodorków, a tym samym do ekstrakcji zawartego w nich wodoru. Dzięki tej metodzie ciepło to gromadzi się w wodorkach, a po ponownym napełnieniu zbiorników wodoru wodorem może być wykorzystywane do różnych celów do podgrzewania wody, ogrzewania budynków itp.

Energia spalin jest częściowo wykorzystywana do poprawy doładowania silnika, wykorzystując wynikające z tego wahania ich ciśnienia w rurze wydechowej. Wykorzystanie wahań ciśnienia polega na tym, że po otwarciu zaworu w rurociągu powstaje ciśnieniowa fala uderzeniowa, przechodząca z prędkością dźwięku na otwarty koniec rurociągu, odbijana od niego i powracająca do zaworu w postaci fali rozrzedzenia. W stanie otwartym zaworu fala może kilkakrotnie przechodzić przez rurociąg. Jednocześnie ważne jest, aby w fazie zamykania zaworu wydechowego dochodziła do niego fala podciśnienia, która pomaga oczyścić cylinder ze spalin i przedmuchać go świeżym powietrzem. Każda odgałęzienie rurociągu stwarza przeszkody na drodze fal ciśnienia, dlatego najkorzystniejsze warunki do wykorzystania wahań ciśnienia powstają w przypadku pojedynczych rurociągów z każdego cylindra, mających równe długości od głowicy cylindra do integracji we wspólnym rurociągu.

Prędkość dźwięku nie zależy od prędkości obrotowej silnika, dlatego w całym jego zakresie występują naprzemiennie korzystne i niekorzystne warunki pracy dla napełniania i czyszczenia cylindrów. Na krzywych mocy silnika Ne i jego średniego efektywnego ciśnienia pe objawia się to w postaci „garbów”, co wyraźnie widać na rys. 83, który przedstawia zewnętrzną prędkość charakterystyczną dla silnika samochodu wyścigowego Porsche. W kolektorze dolotowym wykorzystywane są również wahania ciśnienia: dopływ fali ciśnienia do zaworu dolotowego, zwłaszcza w fazie jego zamykania, przyczynia się do przedmuchania i oczyszczenia komory spalania.

Jeżeli kilka cylindrów silnika jest podłączonych do wspólnej rury wydechowej, to ich liczba nie powinna przekraczać trzech, a przemienność pracy powinna być równomierna, aby wylot spalin z jednego cylindra nie blokował i nie wpływał na proces wydechowy z drugiego. W czterocylindrowym silniku rzędowym dwa zewnętrzne cylindry są zwykle połączone w jedną wspólną gałąź, a dwa środkowe cylindry w drugą. W sześciocylindrowym silniku rzędowym gałęzie te są utworzone odpowiednio przez trzy przednie i trzy tylne cylindry. Każda z gałęzi ma niezależne wejście do tłumika lub w pewnej odległości od niego gałęzie są połączone i zorganizowane jest ich wspólne wejście do tłumika.

SILNIK Z TURBROŁADOWANIEM

Turbodoładowanie wykorzystuje energię ze spalin w turbinie, która napędza sprężarkę odśrodkową, dostarczając powietrze do silnika. Duża masa powietrza wchodzącego do silnika pod ciśnieniem ze sprężarki pomaga zwiększyć moc właściwą silnika i zmniejszyć jego jednostkowe zużycie paliwa. Dwustopniowe sprężanie powietrza i rozprężanie spalin, realizowane w silniku z turbodoładowaniem, zapewniają wysoką sprawność wskaźnikową silnika.

Jeżeli do zwiększania ciśnienia używana jest sprężarka z napędem mechanicznym, to z powodu dostarczania większej ilości powietrza wzrasta tylko moc silnika. Jeżeli suw rozprężania jest utrzymywany tylko w cylindrach silnika, spaliny wychodzą z niego pod wysokim ciśnieniem, a jeśli nie są w przyszłości wykorzystywane, powoduje to wzrost jednostkowego zużycia paliwa.

Stopień doładowania zależy od przeznaczenia silnika. Przy wyższych ciśnieniach doładowania powietrze w sprężarce bardzo się nagrzewa i musi zostać schłodzone na wlocie silnika. Obecnie turbodoładowanie stosuje się głównie w silnikach wysokoprężnych, których wzrost mocy o 25-30% nie wymaga dużego doładowania zależnie od ciśnienia doładowania, a chłodzenie silnika nie sprawia żadnych trudności. Najczęściej stosuje się tę metodę zwiększania mocy diesla.

Zwiększenie ilości powietrza dostającego się do silnika umożliwia pracę na ubogich mieszankach, co zmniejsza emisję CO i CHx. Ponieważ moc silników Diesla jest regulowana przez dopływ paliwa, a dostarczane powietrze nie jest dławione, przy częściowym obciążeniu stosowane są bardzo ubogie mieszanki, co pomaga zmniejszyć jednostkowe zużycie paliwa. Zubożony zapłon w silnikach wysokoprężnych z doładowaniem jest prosty, ponieważ występuje przy wysokich temperaturach powietrza. W silnikach wysokoprężnych przedmuchanie komory spalania dostarczanym powietrzem jest dopuszczalne, ponieważ w odróżnieniu od silnika benzynowego nie doprowadzają one paliwa do rury wydechowej.

W silniku wysokoprężnym z doładowaniem stopień sprężania jest zwykle nieznacznie zmniejszany, aby ograniczyć maksymalne ciśnienie w cylindrze. Wyższe ciśnienie powietrza i temperatura pod koniec suwu sprężania zmniejszają opóźnienie zapłonu, a sztywność silnika zmniejsza się.

Silniki wysokoprężne z turbodoładowaniem mają pewne problemy, gdy konieczne jest szybkie zwiększenie mocy silnika. Po naciśnięciu pedału sterującego wzrost dopływu powietrza z powodu bezwładności turbosprężarki pozostaje w tyle za wzrostem dopływu paliwa, dlatego początkowo silnik pracuje na bogatej mieszance o zwiększonym zadymieniu, a dopiero po pewnym czasie skład mieszanki osiąga wymaganą wartość. Długość tego okresu zależy od momentu bezwładności wirnika turbosprężarki. Próba ograniczenia bezwładności wirnika do minimum poprzez zmniejszenie średnicy wirników turbiny i sprężarki pociąga za sobą konieczność zwiększenia prędkości turbosprężarki do 100 000 min. Takie turbosprężarki są małe i lekkie, przykład jednej z nich pokazano na rys. 84. Aby uzyskać wysokie obroty turbosprężarki, stosuje się turbiny dośrodkowe. Przenikanie ciepła z obudowy turbiny do obudowy sprężarki powinno być zminimalizowane, tak aby obie obudowy były dobrze izolowane od siebie. W zależności od liczby cylindrów i schematu połączeń ich rurociągów wydechowych, turbiny mają jeden lub dwa wloty spalin. Silnik wysokoprężny z doładowaniem, dzięki wykorzystaniu energii spalin, umożliwia osiągnięcie bardzo niskiego jednostkowego zużycia paliwa. Przypomnijmy, że bilanse cieplne silników spalinowych podano w tabeli. 1 i 2.

W przypadku samochodów osobowych wadą silnika wysokoprężnego jest jego duża masa. Dlatego powstające nowe silniki wysokoprężne do samochodów osobowych bazują głównie na szybkoobrotowych silnikach benzynowych, gdyż zastosowanie dużych prędkości obrotowych pozwala na zmniejszenie masy oleju napędowego do akceptowalnej wartości.

Zużycie paliwa przez silnik wysokoprężny, zwłaszcza podczas jazdy po mieście z częściowym obciążeniem, jest zauważalnie niższe. Dalszy rozwój tych silników wysokoprężnych związany jest z turbodoładowaniem, w którym zmniejsza się zawartość szkodliwych składników zawierających węgiel w spalinach, a jego praca staje się bardziej miękka. Wzrost NOx spowodowany wyższymi temperaturami spalania można zmniejszyć przez recyrkulację spalin. Koszt silnika wysokoprężnego jest wyższy niż silnika benzynowego, jednak jeśli brakuje oleju, jego użycie jest bardziej opłacalne, ponieważ może pochodzić z oleju! Złapano więcej oleju napędowego niż wysokooktanowej benzyny

Turbodoładowanie silników benzynowych ma pewne osobliwości Temperatura spalin nieoczyszczonych silników benzynowych jest wyższa, co stawia wyższe wymagania co do materiału łopatek turbiny, ale nie jest to czynnik ograniczający stosowanie doładowania. Konieczna jest regulacja osłony przepływu powietrza, co jest szczególnie ważne przy wysokich częstotliwościach łączenia, gdy sprężarka dostarcza dużą ilość powietrza. W przeciwieństwie do silnika wysokoprężnego, w którym moc jest kontrolowana przez zmniejszenie dopływu paliwa, podobnej metody nie można zastosować w silniku benzynowym, ponieważ skład mieszanki byłby tak słaby w tych trybach, że zapłon nie byłby gwarantowany. Dlatego dopływ powietrza przy maksymalnej prędkości obrotowej turbosprężarki musi być ograniczony. Można to zrobić na kilka sposobów. Najczęściej stosowane obejście spalin przez specjalny kanał za turbiną, zmniejszając tym samym prędkość obrotową turbosprężarki i ilość dostarczanego do niej powietrza. Schemat takiej regulacji pokazano na ryc. 85.

Spaliny z silnika trafiają do rury wydechowej 10, a następnie przez turbinę 11 w tłumiku wydechu 12. Przy maksymalnym obciążeniu i dużej prędkości obrotowej silnika ciśnienie w kanale dolotowym 7, przenoszone przez port 15, otwiera zawór obejściowy 13, przez którą spaliny przechodzą przez rurociąg 14 idź bezpośrednio do tłumika, omijając turbinę. Do turbiny wpływa mniej spalin, a sprężarka dostarcza powietrze 4 do wlotu 6 zmniejsza się 6-8 razy. (Konstrukcję zaworu EGR pokazano na rysunku 86.)

Rozważany sposób regulacji dopływu powietrza ma tę wadę, że spadek mocy silnika przy zwolnieniu pedału sterowania silnikiem nie następuje natychmiastowo, a ponadto trwa dłużej niż spada prędkość obrotowa turbiny. Gdy pedał jest ponownie wciśnięty, wymagana moc jest osiągana z opóźnieniem, prędkość turbosprężarki rośnie powoli, nawet po zamknięciu obejścia. Takie opóźnienie jest niepożądane podczas dużego natężenia ruchu, kiedy trzeba szybko zahamować, a następnie szybko rozpędzić samochód. Dlatego stosuje się inny sposób sterowania, a mianowicie dodatkowo wykorzystuje obejście powietrza przez kanał obejściowy sprężarki 4.

Powietrze dostaje się do silnika przez filtr powietrza 1, regulator składu mieszanki 2 firma "Bosch" (Niemcy) typ "K-Jetronic", która steruje wtryskiwaczami paliwa 9 (patrz rozdz. 13), następnie do rurociągu dolotowego 5, a następnie do sprężarki 4 jest pompowana do wlotów i rur 6 -pięć. Gdy szybko zwolnisz pedał sterujący, kompresor nadal się obraca i zmniejsza ciśnienie w kanale 6 zawór obejściowy 5 z podciśnieniem w kolektorze dolotowym 8 otwiera się i powietrze pod ciśnieniem z kanału 6 przez ten sam zawór 5 jest ponownie przepuszczany do rurociągu 3 przed sprężarką. Wyrównanie ciśnienia następuje bardzo szybko, a prędkość turbosprężarki nie spada gwałtownie. Gdy następnym razem naciśniesz pedał, zawór obejściowy 5 zamyka się szybko, a sprężarka dostarcza sprężone powietrze do silnika z niewielkim opóźnieniem. Dzięki tej metodzie silnik osiąga pełną moc w ułamku sekundy po naciśnięciu pedału.

Dobrym przykładem turbodoładowanego silnika benzynowego jest Porsche 911 (FRG). Początkowo był to wolnossący, sześciocylindrowy, chłodzony powietrzem silnik o pojemności skokowej 2000 cm3, który posiadał moc 96 kW. W wersji doładowanej zwiększono jego objętość roboczą do 3000 cm3, a moc do 220 kW, przy jednoczesnym spełnieniu wymagań dotyczących poziomu hałasu i obecności szkodliwych substancji w spalinach. W tym samym czasie wymiary silnika nie wzrosły. Podczas opracowywania silnika 911 wykorzystano ogromne doświadczenie zdobyte podczas tworzenia dwunastocylindrowego silnika wyścigowego model 917, który już w 1978 roku rozwijał moc 810 kW przy prędkości 7800 min-1 i ciśnieniu doładowania 140 kPa. Silnik był wyposażony w dwie turbosprężarki, jego maksymalny moment obrotowy wynosił 1100 Nm, a jego waga wynosiła 285 kg. W trybie znamionowej mocy silnika dopływ powietrza przez sprężarki rurowe przy prędkości obrotowej 90 000 min-1 wynosił 0,55 kg / s przy temperaturze powietrza 150-160 ° C. Przy maksymalnej mocy silnika temperatura spalin osiągnęła 1000-1100 ° C. Przyspieszenie samochodu wyścigowego od zatrzymania do 100 km / h na tym silniku trwało 2,3 sekundy. Tworząc ten silnik wyścigowy, opracowano doskonały system sterowania turbodoładowaniem, który pozwolił na osiągnięcie dobrych właściwości dynamicznych samochodu. Ten sam schemat sterowania zastosowano w silniku Porsche 911.

Przy całkowicie otwartej przepustnicy maksymalne ciśnienie doładowania w zaworze obejściowym silnika Porsche 911 13 (patrz rys. 85) jest ograniczone do 80 kPa. Ciśnienie to osiągane jest już przy prędkości 3000 obr / min, w zakresie prędkości obrotowych silnika 3000-5500 obr / min ciśnienie doładowania jest stałe, a temperatura powietrza za sprężarką wynosi 125 ° C. Przy maksymalnej mocy silnika szybkość przedmuchu osiąga 22% natężenia przepływu spalin. Zawór bezpieczeństwa zamontowany w króćcu dolotowym jest nastawiony na ciśnienie 110-140 kPa iw przypadku awarii zaworu obejściowego spalin odcina dopływ paliwa, ograniczając tym samym niekontrolowany wzrost mocy silnika. Przy maksymalnej mocy silnika dopływ powietrza ze sprężarki wynosi 0,24 kg / s. Stopień sprężania, równy e \u003d 8,5 w silniku wolnossącym, został zmniejszony do 6,5 wraz z wprowadzeniem doładowania. Dodatkowo wprowadzono zawory wydechowe chłodzone sodem, zmieniono rozrząd zaworowy oraz poprawiono układ chłodzenia. Przy maksymalnej mocy silnika obroty turbosprężarki wynoszą 90 000 obr / min, a moc turbiny 26 kW. Samochody przeznaczone na eksport do USA muszą spełniać wymagania dotyczące zawartości szkodliwych substancji w spalinach, dlatego samochody Porsche 911 dostarczane do USA są dodatkowo wyposażone w dwa reaktory termiczne, system doprowadzania powietrza wtórnego i spalin do ich dopalania, a także układ recyrkulacji spalin. Moc silnika Porsche 911 została zredukowana do 195 kW.

Na przykład w niektórych innych układach sterowania turbodoładowaniem ARSszwedzkiej firmy SAAB elektronika służy do regulacji ciśnienia doładowania. Ciśnienie doładowania jest ograniczone przez zawór, który reguluje przepływ spalin przez zawór upustowy obok turbiny. Zawór otwiera się, gdy w kolektorze dolotowym pojawi się podciśnienie, którego wartość jest regulowana poprzez dławienie przepływu powietrza między kolektorem dolotowym a wlotem sprężarki.

Zawór dławiący, który reguluje podciśnienie w zaworze obejściowym, jest sterowany elektrycznie przez urządzenie elektroniczne na podstawie sygnałów z czujników ciśnienia doładowania, detonacji i prędkości. Czujnik stuków to czuły element piezoelektryczny zamontowany w bloku cylindrów i wykrywa występowanie stuków. Sygnał z tego czujnika ogranicza podciśnienie w komorze sterującej zaworu obejściowego.

Taki układ sterowania turbodoładowaniem pozwala na zapewnienie dobrych właściwości dynamicznych samochodu, które są niezbędne np. Do szybkiego wyprzedzania w warunkach dużego ruchu. Można to zrobić szybko, przełączając silnik na maksymalne ciśnienie doładowania, ponieważ stukanie w stosunkowo zimnym silniku z częściowym obciążeniem nie występuje natychmiast. Po kilku sekundach, gdy temperatura wzrośnie i zacznie pojawiać się detonacja, urządzenie sterujące zmniejszy ciśnienie doładowania na sygnał z czujnika spalania stukowego.

Zaletą tego przepisu jest to, że pozwala na stosowanie w silniku paliw o różnych liczbach oktanowych bez żadnych zmian. Przy stosowaniu paliwa o liczbie oktanowej 91 silnik SAAB z takim układem sterowania może pracować przez długi czas przy ciśnieniu doładowania do 70 kPa. Stopień sprężania tego silnika, w którym zastosowano wtrysk benzyny Bosch K-Jetronic, wynosi e \u003d 8,5. Postępy poczynione w zakresie zmniejszenia zużycia paliwa przez samochody osobowe dzięki zastosowaniu turbodoładowania przyczyniły się do jego wykorzystania w konstrukcji motocykli. W tym miejscu należy wspomnieć o japońskiej firmie „Honda”, która jako pierwsza zastosowała turbodoładowanie w dwucylindrowym silniku modelu chłodzonym cieczą. „SH500 ”, aby zwiększyć moc i zmniejszyć zużycie paliwa. Stosowanie turbosprężarek w silnikach o małej pojemności skokowej wiąże się z szeregiem trudności związanych z koniecznością uzyskania takich samych ciśnień doładowania jak w silnikach dużej mocy, ale przy niskim zużyciu powietrza. Ciśnienie doładowania zależy głównie od prędkości obwodowej koła sprężarki, a średnica tego koła zależy od wymaganego dopływu powietrza. Dlatego konieczne jest, aby turbosprężarka miała bardzo dużą prędkość obrotową przy małych średnicach wirnika. Średnica wirnika sprężarki we wspomnianym silniku Hondy 500 cm3 wynosi 48,3 mm, a przy ciśnieniu doładowania 0,13 MPa wirnik turbosprężarki obraca się z częstotliwością 180 000 min-1. Maksymalna dopuszczalna prędkość tej turbosprężarki wynosi 240 000 min-1.

Przy wzroście ciśnienia doładowania powyżej 0,13 MPa następuje otwarcie zaworu obejściowego spalin (rys. 87), sterowanego ciśnieniem doładowania w komorze, a część spalin omijająca turbinę kierowana jest do rury wydechowej, co ogranicza dalszy wzrost prędkości sprężarki. Zawór obejściowy otwiera się przy prędkości obrotowej silnika około 6500 min-1, a wraz z jego dalszym wzrostem ciśnienie doładowania już nie rośnie.

Ilość paliwa wtryskiwanego przez wtryskiwacz potrzebną do uzyskania wymaganego składu mieszanki określa urządzenie obliczeniowe umieszczone nad tylnym kołem motocykla, które przetwarza również informacje z czujników temperatury dopływającego powietrza i płynu chłodzącego, czujnika położenia przepustnicy, czujników ciśnienia powietrza oraz czujnika prędkości silnika.

Główną zaletą silnika z doładowaniem jest zmniejszenie zużycia paliwa przy jednoczesnym zwiększeniu mocy silnika. Motocykl „Honda SHWolnossący 500 "zużywa 4,8 l / 100 km, podczas gdy ten sam doładowany CX 500 7X zużywa tylko 4,28 l / 100 km. Waga motocykla Hondy SH500 g ”to 248 kg, czyli o ponad 50 kg więcej niż masa motocykli podobnej klasy o pojemności skokowej silnika 500-550 cm3 (na przykład motocykl„ Kawasaki KZ550 ”ma masę 190 kg). Jednocześnie jednak właściwości dynamiczne i maksymalna prędkość motocykla „Honda CX 500 7” są takie same, jak motocykli o dwukrotnie większej pojemności. Jednocześnie poprawiono układ hamulcowy w związku ze wzrostem parametrów prędkościowych tego motocykla. Silnik Hondy CX 500 G jest przystosowany do jeszcze wyższych prędkości, a jego maksymalna prędkość obrotowa wynosi 9000 obr / min.

Spadek średniego spalania uzyskuje się również dzięki temu, że gdy motocykl porusza się ze średnią prędkością roboczą, ciśnienie w kolektorze dolotowym jest równe lub nawet nieco niższe od niego, to znaczy użycie doładowania jest bardzo znikome. Dopiero gdy przepustnica jest całkowicie otwarta, a co za tym idzie, ilość i temperatura spalin wzrasta, wzrasta prędkość turbosprężarki i ciśnienie doładowania, a tym samym moc silnika. Występuje pewne opóźnienie wzrostu mocy silnika przy gwałtownym otwarciu przepustnicy i jest związane z czasem potrzebnym do przyspieszenia turbosprężarki.

Schemat ogólny zespołu napędowego motocykla „Honda CX 500 T "z turbodoładowaniem pokazano na rys. 87. Duże wahania ciśnienia powietrza w kolektorze dolotowym silnika dwucylindrowego przy nierównomiernej kolejności pracy cylindrów są tłumione przez komorę i odbiornik tłumienia. Podczas uruchamiania silnika zawory zapobiegają cofaniu się powietrza spowodowanemu dużym nakładaniem się faz rozrządu. System chłodzenia cieczą eliminuje dopływ gorącego powietrza do stóp kierowcy, co występuje przy chłodzeniu powietrzem. Chłodnica układu chłodzenia jest przedmuchiwana przez wentylator napędzany elektrycznie. Krótka rura wydechowa prowadząca do turbiny zmniejsza straty energii w spalinach i pomaga zmniejszyć zużycie paliwa. Maksymalna prędkość motocykla to 177 km / h.

TYP DMUCHAWY „COMPREX”

Bardzo ciekawą metodą doładowania Comprex, opracowaną przez firmę Brown & Boveri ze Szwajcarii, jest wykorzystanie ciśnienia spalin oddziałujących bezpośrednio na przepływ powietrza do silnika. Wynikowa wydajność silnika jest taka sama, jak w przypadku zastosowania turbosprężarki, ale brakuje turbiny i sprężarki odśrodkowej, których produkcja i wyważenie wymagają specjalnych materiałów i wysoce precyzyjnego wyposażenia.

Schemat układu nadciśnieniowego typu „Comprex” przedstawiono na rys. 88. Główną częścią jest wirnik łopatkowy obracający się w obudowie z częstotliwością obrotową trzykrotnie większą niż wału korbowego silnika, który jest osadzony w obudowie na łożyskach tocznych i jest napędzany paskiem klinowym lub paskiem zębatym. Napęd sprężarki typu „Comprex” zużywa nie więcej niż 2% mocy silnika. Jednostka „Comprex” nie jest sprężarką w pełnym tego słowa znaczeniu, ponieważ jej wirnik ma tylko kanały równoległe do osi obrotu. W tych kanałach powietrze wchodzące do silnika jest sprężane przez ciśnienie spalin. Luzy końcowe wirnika zapewniają dystrybucję spalin i powietrza przez kanały wirnika. Na zewnętrznym obrysie wirnika znajdują się płyty promieniowe, które mają małe szczeliny z wewnętrzną powierzchnią obudowy, dzięki czemu powstają kanały zamknięte z obu stron zaślepkami.

W prawej osłonie znajdują się okienka i do doprowadzania spalin z silnika do obudowy agregatu i r -do odprowadzania spalin z obudowy do rury wydechowej a następnie do atmosfery W lewej pokrywie znajdują się okna bdo dostarczania sprężonego powietrza do silnika i szyb redo dostarczania świeżego powietrza do obudowy z kolektora dolotowego mi.Ruch kanałów podczas obrotu wirnika powoduje, że naprzemiennie łączą się one z rurami wydechowymi i dolotowymi silnika.

Podczas otwierania okna ipowstaje ciśnieniowa fala uderzeniowa, która z prędkością dźwięku przemieszcza się na drugi koniec rury wydechowej i jednocześnie kieruje spaliny do kanału wirnika bez mieszania ich z powietrzem. Kiedy ta fala ciśnienia osiągnie drugi koniec rury wydechowej, okno b otworzy się, a powietrze sprężone przez spaliny w kanale wirnika zostanie wypchnięte z niego do rurociągu wdo silnika. Jednak jeszcze zanim spaliny w tym kanale wirnika zbliżą się do jego lewego końca, okno zamyka się jako pierwsze. ia potem okno bi ten kanał wirnika, w którym znajdują się gazy spalinowe pod ciśnieniem, będzie zamknięty z obu stron ścianami końcowymi obudowy.

Przy dalszym obrocie wirnika ten kanał ze spalinami dojdzie do okna rw rurze wydechowej drut i spaliny wyjdą do niej z kanału. Kiedy kanał przechodzi przez okna rwydostające się spaliny są wyrzucane przez okna reświeże powietrze, które wypełniając cały kanał, wieje i chłodzi wirnik. Wychodząc przez okna ri re,kanał wirnika wypełniony świeżym powietrzem jest ponownie zamykany z obu stron ścianami końcowymi obudowy i dzięki temu jest gotowy do następnego cyklu. Opisany cykl jest bardzo uproszczony w porównaniu z tym, co dzieje się w rzeczywistości i odbywa się tylko w wąskim zakresie obrotów silnika. To jest powód, dla którego ta metoda zwiększania ciśnienia, znana od 40 lat, nie jest stosowana w samochodach. W ciągu ostatnich 10 lat, dzięki pracy firmy Brown & Bover, doładowanie Comprex zostało znacznie ulepszone, w szczególności wprowadzono dodatkową komorę w pokrywie końcowej, która zapewnia niezawodne zasilanie powietrzem w szerokim zakresie obrotów silnika, w tym przy niskich prędkościach.

Ciśnienie w Comprex zostało przetestowane na samochodach terenowych z napędem na wszystkie koła austriackiej firmy Steyer-Daimler-Pooh, które były wyposażone w silniki wysokoprężne Opel Record 2,3D i Mercedes-Benz 200D.

Zaletą metody „Comprex” w porównaniu z turbodoładowaniem jest brak opóźnienia wzrostu ciśnienia doładowania po wciśnięciu pedału sterującego. O sprawności układu turbodoładowania decyduje energia spalin, która jest zależna od ich temperatury. Jeśli np. Przy pełnej mocy silnika temperatura spalin wynosi 400 ° C, to zimą dojście do niej zajmuje kilka minut. Istotną zaletą metody „Comprex” jest również uzyskanie dużego momentu obrotowego silnika przy małych prędkościach, co pozwala na zastosowanie skrzyni biegów z mniejszą liczbą kroków.

Szybki wzrost mocy silnika, gdy przełącznik nożny jest wciśnięty, jest szczególnie pożądany w samochodach wyścigowych Włoska firma Ferrari testuje metodę zwiększania ciśnienia Comprex w swoich samochodach wyścigowych, ponieważ wymaga tego turbodoładowanie zastosowanie opisanego wcześniej złożonego systemu sterowania.

Podczas testowania systemu zwiększania ciśnienia Comprex w sześciocylindrowych silnikach samochodów wyścigowych Ferrari F1nastąpiła bardzo szybka reakcja silnika na ruch pedału sterującego

Aby uzyskać maksymalne ciśnienie doładowania w tych silnikach, stosuje się chłodzenie powietrza doładowującego. Przez wirnik jednostki Comprex przepływa więcej powietrza niż jest to wymagane przez silnik, ponieważ część powietrza jest wykorzystywana do chłodzenia jednostki wspomagającej. Jest to bardzo korzystne w przypadku silników wyścigowych, które nawet na starcie pracują z prawie pełnym przepływem powietrza przez intercooler. W takich warunkach silnik z zespołem Comprex będzie w najlepszej temperaturze do momentu uruchomienia, aby osiągnąć pełną moc.

Zastosowanie jednostki zwiększającej ciśnienie Comprex zamiast turbosprężarki zmniejsza hałas silnika, ponieważ pracuje on z mniejszą prędkością. We wczesnych stadiach rozwoju prędkość wirnika była przyczyną hałasu o tej samej częstotliwości, co turbosprężarka. Ta wada została wyeliminowana przez nierównomierny podział kanałów wokół obwodu wirnika.

W przypadku korzystania z systemu „Comprex” recyrkulacja spalin jest znacznie uproszczona, co służy do zmniejszenia ich zawartości NOx.Zwykle recyrkulacja odbywa się poprzez pobranie części spalin z rury wydechowej, ich dozowanie, schłodzenie i doprowadzenie do przewodu dolotowego silnika. W systemie „Comprex” schemat ten może być znacznie prostszy, ponieważ mieszanie spalin ze strumieniem świeżego powietrza i ich chłodzenie następuje bezpośrednio w kanałach wirnika.

SPOSOBY ZWIĘKSZENIA SPRAWNOŚCI MECHANICZNEJ SILNIKA SPALINOWEGO

Sprawność mechaniczna odzwierciedla zależność pomiędzy wskazaną a efektywną mocą silnika. Różnica tych wartości spowodowana jest stratami związanymi z przenoszeniem sił gazowych z denka tłoka na koło zamachowe oraz z napędem wyposażenia pomocniczego silnika. Wszystkie te straty trzeba dokładnie poznać, gdy zadaniem jest poprawienie efektywności paliwowej silnika.

Większość strat jest spowodowana tarciem w cylindrze, mniej tarciem w dobrze nasmarowanych łożyskach i sprzęcie napędowym niezbędnym do pracy silnika. Straty spowodowane przedostawaniem się powietrza do silnika (straty pompowania) są bardzo ważne, ponieważ rosną proporcjonalnie do kwadratu prędkości obrotowej silnika.

Straty mocy wymagane do napędzania sprzętu zapewniającego pracę silnika obejmują moc napędzającą mechanizm dystrybucji gazu, pompy oleju, wody i paliwa oraz wentylator chłodzący. W przypadku chłodzenia powietrzem wentylator nawiewny jest integralną częścią silnika podczas testowania go na stanowisku, podczas gdy silniki chłodzone cieczą często nie mają wentylatora i chłodnicy podczas testów, a do chłodzenia używana jest woda z zewnętrznego obwodu chłodzenia. Jeśli nie bierze się pod uwagę poboru mocy wentylatora silnika chłodzonego cieczą, daje to zauważalne przeszacowanie wskaźników ekonomicznych i mocy w porównaniu z silnikiem chłodzonym powietrzem.

Inne straty związane z napędem urządzeń są związane z generatorem, sprężarką pneumatyczną, pompami hydraulicznymi niezbędnymi do oświetlenia, zapewniania pracy przyrządów, układu hamulcowego i kierowania samochodem. Podczas testowania silnika na stanowisku hamulcowym należy dokładnie określić, co stanowi akcesorium i jak je obciążyć, ponieważ jest to konieczne dla obiektywnego porównania osiągów różnych silników. W szczególności dotyczy to układu chłodzenia oleju, który podczas jazdy pojazdu jest chłodzony poprzez przedmuchiwanie miski olejowej powietrzem, którego nie ma podczas badań na stanowisku hamulcowym. Podczas testowania silnika bez wentylatora na stole warsztatowym nie są odtwarzane warunki wdmuchiwania powietrza przez rurociągi, co powoduje wzrost temperatury w rurze dolotowej i prowadzi do spadku współczynnika napełnienia i spadku mocy silnika.

Umiejscowienie filtra powietrza i wartość rezystancji rury wydechowej muszą być odpowiednie do warunków pracy silnika w pojeździe. Te ważne cechy należy wziąć pod uwagę przy porównywaniu charakterystyk różnych silników lub jednego silnika zaprojektowanego do użytku w różnych warunkach, na przykład w samochodzie osobowym, ciężarówce, ciągniku lub do napędzania stacjonarnego generatora, sprężarki itp.

Gdy obciążenie silnika spada, jego sprawność mechaniczna pogarsza się, ponieważ bezwzględna wartość większości strat nie zależy od obciążenia. Ilustrującym przykładem jest praca silnika bez obciążenia, czyli na biegu jałowym, gdy sprawność mechaniczna jest zerowa, a cała wskazywana moc silnika przeznaczona jest na przezwyciężenie jego strat. Gdy silnik jest obciążony o 50% lub mniej, jednostkowe zużycie paliwa w porównaniu z pełnym obciążeniem znacznie wzrasta, dlatego też używanie silnika o mocy większej niż wymagana do napędu jest całkowicie nieekonomiczne.

Sprawność mechaniczna silnika zależy od rodzaju zastosowanego oleju. Stosowanie olejów o wysokiej lepkości zimą prowadzi do wzrostu zużycia paliwa. Moc silnika na dużych wysokościach n.p.m. maleje na skutek spadku ciśnienia atmosferycznego, ale jego straty praktycznie się nie zmieniają, w wyniku czego jednostkowe zużycie paliwa wzrasta w taki sam sposób jak przy częściowym obciążeniu silnika.

STRATY TARCIA W GRUPIE CYLINDER-TŁOK I ŁOŻYSKACH

Największe straty w silniku spowodowane są tarciem tłoka w cylindrze. Warunki smarowania ścian cylindra są dalekie od zadowalających. Warstwa oleju na ściance cylindra przy tłoku w położeniu DMP jest pod wpływem gorących spalin. Aby zmniejszyć zużycie oleju, pierścień zgarniający olej usuwa jego część ze ścianki cylindra, gdy tłok przesuwa się do DMP, jednak między płaszczem tłoka a cylindrem pozostaje warstwa smaru.

Pierwszy pierścień uszczelniający powoduje największe tarcie. Gdy tłok przesuwa się do GMP, pierścień ten spoczywa na dolnej powierzchni rowka tłoka tłoka, a ciśnienie powstające w wyniku sprężania, a następnie spalania mieszanki roboczej, dociska go do ścianki cylindra. Ponieważ reżim smarowania pierścienia tłokowego jest najmniej korzystny ze względu na tarcie suche i wysoką temperaturę, tutaj straty spowodowane tarciem są największe. Tryb smarowania drugiego pierścienia uszczelniającego jest korzystniejszy, ale tarcie pozostaje znaczne. Dlatego liczba pierścieni tłokowych wpływa również na wielkość strat tarcia w grupie cylinder-tłok.

Innym niekorzystnym czynnikiem jest docisk tłoka w pobliżu GMP do ścianki cylindra przez ciśnienie gazu i siły bezwładności mas poruszających się ruchem posuwisto-zwrotnym. W szybkoobrotowych silnikach samochodowych siły bezwładności są większe niż w przypadku gazu. Dlatego łożyska korbowodu mają największe obciążenie w GMP suwu wydechu, gdy korbowód jest rozciągany przez siły bezwładności przyłożone do jego górnej i dolnej głowicy.

Siła działająca wzdłuż korbowodu jest rozkładana na siły skierowane wzdłuż osi cylindra i prostopadłe do jego ściany.

Łożyska toczne w silniku są korzystne w użyciu, gdy działają na nie duże siły. Zaleca się np. Umieszczenie „wahaczy zaworów na łożyskach igiełkowych. Łożyska wałeczkowe były również stosowane jako łożyska sworznia tłokowego w korbowodzie, zwłaszcza w silnikach dwusuwowych dużej mocy. w łożysku ślizgowym nie może powstać wymagany film olejowy W celu dobrego smarowania łożyska ślizgowego w górnej części korbowodu na całej długości jego tulei w górnej części korbowodu wykonuje się poprzeczne rowki smarowe, które znajdują się w takiej odległości od siebie, że podczas kołysania w tym miejscu mógłby tworzyć się film olejowy ...

Aby uzyskać niskie straty tarcia w grupie cylinder-tłok, konieczne są tłoki o małej masie, małej liczbie pierścieni tłokowych oraz na płaszczu tłoka warstwę ochronną, która chroni tłok przed zacieraniem i zatarciem.

STRATY PODCZAS WYMIANY GAZU

Aby napełnić butlę powietrzem, konieczne jest wytworzenie różnicy ciśnień między butlą a środowiskiem zewnętrznym. Podciśnienie w cylindrze przy dolocie, działające w kierunku przeciwnym do ruchu tłoka i hamujące obroty wału korbowego, zależy od rozrządu zaworowego, średnicy kolektora dolotowego, a także od kształtu kanału dolotowego, który jest niezbędny np. Do wywołania obrotu powietrza w cylindrze. Silnik w tej części cyklu działa jak pompa powietrza i część wskazanej mocy silnika jest zużywana do jego napędzania.

Aby zapewnić dobre napełnienie cylindra, konieczne jest, aby spadek ciśnienia, proporcjonalny do kwadratu prędkości obrotowej silnika, podczas napełniania był jak najmniejszy. Straty tarcia w grupie cylinder-tłok mają podobny charakter zależności od prędkości obrotowej, a ponieważ ten typ strat dominuje między innymi, straty całkowite zależą również od drugiego stopnia prędkości obrotowej silnika. Dlatego sprawność mechaniczna maleje wraz ze wzrostem prędkości obrotowej, a jednostkowe zużycie paliwa pogarsza się.

Przy maksymalnej mocy silnika sprawność mechaniczna wynosi zwykle 0,75, a wraz ze wzrostem prędkości obrotowej silnika moc efektywna gwałtownie spada. Przy maksymalnej prędkości obrotowej silnika i częściowym obciążeniu efektywna wydajność jest minimalna.

Straty podczas wymiany gazowej obejmują również koszty energii związane z przedmuchaniem skrzyni korbowej wału korbowego. Największe straty mają jednocylindrowe silniki czterosuwowe, w których powietrze jest zasysane do skrzyni korbowej przy każdym skoku tłoka i ponownie z niej wypychane. Duża ilość powietrza pompowanego przez skrzynię korbową ma również silniki dwucylindrowe z cylindrami w kształcie litery V i przeciwstawnymi. Ten rodzaj strat można zmniejszyć, instalując zawór zwrotny, który wytwarza podciśnienie w skrzyni korbowej. Próżnia w skrzyni korbowej ogranicza również straty oleju spowodowane wyciekami. W silnikach wielocylindrowych, w których jeden tłok porusza się w dół, a drugi w górę, objętość gazu w skrzyni korbowej nie zmienia się, ale sąsiednie sekcje cylindrów muszą dobrze się ze sobą komunikować.

STRATY NA NAPĘDZIE WYPOSAŻENIA POMOCNICZEGO SILNIKA

Straty napędowe urządzeń są często niedoceniane, chociaż mają duży wpływ na sprawność mechaniczną silnika. Straty dla napędu mechanizmu dystrybucji gazu zostały dobrze zbadane. Praca wymagana do otwarcia zaworu jest częściowo przywracana, gdy sprężyna zaworu zamyka zawór i tym samym napędza wałek rozrządu. Straty dla napędu dystrybucji gazu są stosunkowo niewielkie, a ich redukcja pozwala uzyskać jedynie niewielkie oszczędności w kosztach mocy napędów. Czasami wałek rozrządu jest osadzony na łożyskach przeciwciernych, ale jest to używane tylko w silnikach samochodów wyścigowych.

Więcej uwagi należy poświęcić pompie olejowej. Jeśli wymiary pompy i przepływ oleju przez nią są zawyżone, to większość oleju jest odprowadzana przez zawór redukcyjny pod wysokim ciśnieniem, występują znaczne straty dla napędu pompy olejowej. Jednocześnie konieczne jest posiadanie zapasów w układzie smarowania, aby zapewnić wystarczające ciśnienie do smarowania łożysk ślizgowych, w tym zużytych. W tym przypadku niski dopływ oleju przez pompę prowadzi do spadku ciśnienia przy niskich prędkościach obrotowych silnika i podczas długotrwałej pracy przy pełnym obciążeniu. W tych warunkach zawór redukcyjny musi być zamknięty, a do smarowania należy wykorzystać całe zasilanie olejem. Pompa paliwa i napęd rozdzielacza zapłonu wymagają niewielkiej mocy. Również alternator zużywa mało energii. Znaczna część mocy efektywnej, czyli 5-10%, przeznaczana jest na napędzanie wentylatora i pompy układu chłodzenia, które są potrzebne do odprowadzenia ciepła z silnika. To już zostało omówione. Jak widać, istnieje kilka sposobów na poprawę sprawności mechanicznej silnika.

Niewielką ilość energii można zaoszczędzić na napędzaniu pompy paliwa i otwieraniu wtryskiwaczy. W nieco większym stopniu jest to możliwe w silnikach wysokoprężnych.

STRATY NA NAPĘDZIE DODATKOWEGO WYPOSAŻENIA SAMOCHODU

Samochód jest również zwykle wyposażony w sprzęt, który zużywa część efektywnej mocy silnika, a tym samym zmniejsza pozostałą część przeznaczoną na samochód. W samochodzie osobowym takie wyposażenie jest stosowane w ograniczonej liczbie, głównie różne wzmacniacze służące do ułatwienia sterowania pojazdem np. Kierowanie, napęd sprzęgła, napęd hamulca. Klimatyzacja samochodu również wymaga pewnej ilości energii, zwłaszcza do klimatyzacji. Energia jest również potrzebna do różnych napędów hydraulicznych, takich jak przesuwanie siedzeń, otwieranie okien, dachów itp.

W ciężarówce jest znacznie więcej dodatkowego wyposażenia. Zwykle stosuje się układ hamulcowy wykorzystujący oddzielne źródło energii, wywrotki, urządzenia samozaładowcze, urządzenie do podnoszenia kół zapasowych itp. Mechanizmy takie są stosowane jeszcze szerzej w pojazdach specjalnego przeznaczenia. Te przypadki zużycia energii należy również uwzględnić w całkowitym zużyciu paliwa.

Najważniejszym z tych urządzeń jest kompresor do wytwarzania stałego ciśnienia powietrza w pneumatycznym układzie hamulcowym.Sprężarka pracuje w sposób ciągły, napełniając zbiornik powietrza, z którego część powietrza jest uwalniana do atmosfery przez zawór redukcyjny bez dalszego użycia. Wysokociśnieniowe układy hydrauliczne obsługujące urządzenia pomocnicze charakteryzują się głównie stratami na zaworach redukcyjnych. Zwykle używają zaworu, który po osiągnięciu ciśnienia roboczego w akumulatorze wyłącza dalsze dopływ płynu roboczego do niego i steruje przewodem obejściowym między pompą a zbiornikiem.

PORÓWNANIE STRAT MECHANICZNYCH W SILNIKACH BENZYNOWYCH I WYSOKOPRĘŻNYCH

Dane porównawcze strat mechanicznych zmierzone w tych samych warunkach pracy silnika benzynowego o stopniu sprężania e \u003d 6 i silnika wysokoprężnego o stopniu sprężania e \u003d 16 (tabela 11, A).

W przypadku silnika benzynowego dodatkowo w tabeli. 11, B porównuje również straty mechaniczne przy pełnym i częściowym obciążeniu.

Tabela 11.A. Średnie ciśnienie różnych rodzajów strat mechanicznych w silnikach benzynowych i diesla (1600 min-1), MPa

Tabela 11.B. Średnie ciśnienie przy różnych typach strat mechanicznych w silniku benzynowym (1600 min-1, e \u003d 6) przy różnych obciążeniach, MPa

Całkowite straty, jak widać z tabeli. 11 są stosunkowo małe, ponieważ zostały zmierzone przy niskich obrotach (1600 obr / min). Wraz ze wzrostem prędkości obrotowej straty rosną na skutek działania sił bezwładności mas poruszających się translacyjnie, które rosną proporcjonalnie do drugiej potęgi prędkości obrotowej, a także prędkości względnej w łożysku, gdyż tarcie wiskotyczne jest również proporcjonalne do kwadratu prędkości. Interesujące jest również porównanie wykresów wskaźników w cylindrach obu rozważanych silników (rys. 89). Ciśnienie w cylindrze silnika wysokoprężnego jest nieco wyższe niż w silniku benzynowym, a jego czas trwania jest dłuższy. Tym samym gazy dociskają pierścienie do ścianki cylindra z większą siłą i przez dłuższy czas, przez co straty tarcia w grupie cylinder-tłok są większe w silniku wysokoprężnym. Zwiększone wymiary w porównaniu z silnikiem benzynowym, zwłaszcza średnica łożysk w silniku wysokoprężnym, również przyczyniają się do wzrostu strat mechanicznych.

Tarcie łożyska jest spowodowane naprężeniami ścinającymi w filmie olejowym. Zależy ona liniowo od wielkości powierzchni ciernych i jest proporcjonalna do kwadratu szybkości ścinania. Znaczący wpływ na tarcie ma lepkość oleju oraz, w mniejszym stopniu, grubość filmu olejowego w łożyskach. Ciśnienie gazu w cylindrze prawie nie ma wpływu na straty łożysk.

WPŁYW ŚREDNICY CYLINDRÓW I SKOKU TŁOKU NA EFEKTYWNOŚĆ EFEKTYWNOŚĆ SILNIKA SPALINOWEGO

Wcześniej chodziło o zmniejszenie do minimum strat ciepła, aby zwiększyć wskaźnikową sprawność silnika, a chodziło głównie o zmniejszenie stosunku powierzchni komory spalania do jej objętości. Objętość komory spalania jest do pewnego stopnia wskaźnikiem ilości wprowadzanego ciepła. Wartość opałowa wsadu w silniku benzynowym jest określana przez stosunek powietrza do paliwa, bliski stechiometrii. Czyste powietrze jest dostarczane do silnika wysokoprężnego, a dopływ paliwa jest ograniczony stopniem niekompletności spalania, przy którym w spalinach pojawia się dym, stąd związek między ilością wprowadzanego ciepła a objętością komory spalania jest dość oczywisty

Kula ma najmniejszy stosunek powierzchni do objętości. Ciepło jest odprowadzane do otaczającej przestrzeni przez powierzchnię, dzięki czemu kulista masa jest jak najmniej schładzana. Te oczywiste zależności są brane pod uwagę przy projektowaniu komory spalania, jednak należy mieć na uwadze podobieństwo geometryczne części silnika o różnych rozmiarach. Jak wiadomo, objętość kuli to 4 / 3lR3, a jej powierzchnia to 4lR2, a zatem objętość wraz ze wzrostem średnicy rośnie szybciej niż powierzchnia, a zatem kula o większej średnicy będzie miała mniejszy stosunek powierzchni do objętości. Jeśli powierzchnie kuli o różnych średnicach mają takie same różnice temperatur i takie same współczynniki przenikania ciepła a, wówczas duża kula będzie chłodzić się wolniej.

Silniki są geometrycznie podobne, gdy mają tę samą konstrukcję, ale różnią się wielkością. Jeśli pierwszy silnik ma na przykład średnicę cylindra równą jeden, a drugi silnik ma on ma 2 latarazy więcej, to wszystkie wymiary liniowe drugiego silnika będą 2 razy, powierzchnie - 4 razy, a objętości - 8 razy większe niż w przypadku pierwszego silnika. Jednak całkowite podobieństwo geometryczne nie może zostać osiągnięte, ponieważ wymiary na przykład świec zapłonowych i wtryskiwaczy paliwa są takie same dla silników o różnych rozmiarach otworów cylindrów.

Z podobieństwa geometrycznego można wywnioskować, że większy cylinder ma również bardziej akceptowalny stosunek powierzchni do objętości, więc jego straty ciepła podczas chłodzenia powierzchniowego w tych samych warunkach będą mniejsze.

Przy określaniu mocy należy jednak wziąć pod uwagę pewne czynniki ograniczające. Moc silnika zależy nie tylko od wielkości, czyli objętości cylindrów silnika, ale także od prędkości obrotowej silnika, a także średniego efektywnego ciśnienia. Prędkość silnika jest ograniczona przez maksymalną średnią prędkość tłoka, wagę i doskonałość konstrukcyjną mechanizmu korbowego. Maksymalne średnie prędkości tłoków silników benzynowych mieszczą się w zakresie 10-22 m / s. W przypadku silników samochodów osobowych maksymalna średnia prędkość tłoka sięga 15 m / s, a średnie ciśnienie efektywne przy pełnym obciążeniu jest bliskie 1 MPa.

Pojemność i wymiary silnika są określane nie tylko przez czynniki geometryczne. Na przykład grubość ścian zależy od technologii, a nie od obciążenia. Przenikanie ciepła przez ściany nie zależy od ich grubości, ale od przewodnictwa cieplnego ich materiału, współczynników przenikania ciepła na powierzchniach ścian, różnic temperatur itp. Oscylacje ciśnienia gazu w rurociągach rozchodzą się z prędkością dźwięku niezależnie od wielkości silnika, luzy łożyskowe zależą od właściwości filmu olejowego i itd. Należy jednak wyciągnąć pewne wnioski dotyczące wpływu wymiarów geometrycznych cylindrów.

ZALETY I WADY CYLINDRA O DUŻEJ OBJĘTOŚCI ROBOCZEJ

Cylinder o większej objętości roboczej ma mniejsze względne straty ciepła na ścianach. Potwierdzają to przykłady stacjonarnych silników wysokoprężnych z cylindrami o dużej pojemności, które mają bardzo niskie jednostkowe zużycie paliwa. Jednak w przypadku samochodów osobowych nie zawsze tak jest.

Analiza równania mocy silnika pokazuje, że największą moc silnika można uzyskać przy małym skoku tłoka.

Średnią prędkość tłoka można obliczyć jako

gdzie: S jest skokiem tłoka, m; n - częstotliwość obrotów, min-1.

Gdy średnia prędkość tłoka C p jest ograniczona, prędkość obrotowa może być tym większa, im mniejszy jest skok tłoka. Równanie mocy dla silnika czterosuwowego to

gdzie: Vh - pojemność silnika, dm3; n - częstotliwość obrotów, min-1; pe - ciśnienie średnie, MPa.

W konsekwencji moc silnika jest wprost proporcjonalna do jego prędkości i pojemności. Tym samym na silnik nakładane są przeciwne wymagania - duża pojemność cylindra i krótki skok. Kompromisowym rozwiązaniem jest użycie większej liczby cylindrów.

Najbardziej preferowana pojemność skokowa jednego cylindra szybkoobrotowego silnika benzynowego wynosi 300-500 cm3. Silnik z niewielką liczbą takich cylindrów jest słabo wyważony, a przy dużej liczbie takich cylindrów ma znaczne straty mechaniczne, a zatem ma zwiększone jednostkowe zużycie paliwa. Ośmiocylindrowy silnik o pojemności 3000 cm3 ma mniejsze jednostkowe zużycie paliwa niż dwunastocylindrowy o tej samej pojemności.

Aby uzyskać niskie zużycie paliwa, zaleca się stosowanie silników z małą liczbą cylindrów. Jednak jednocylindrowy silnik o dużej pojemności skokowej nie jest stosowany w samochodach, ponieważ jego masa względna jest duża, a wyważanie możliwe jest tylko przy użyciu specjalnych mechanizmów, co prowadzi do dodatkowego wzrostu jego masy, rozmiarów i kosztów. Ponadto duża nierównomierność momentu obrotowego silnika jednocylindrowego jest niedopuszczalna w przypadku przekładni samochodowych.

Najmniejsza liczba cylindrów w nowoczesnym silniku samochodowym to dwa. Takie silniki są z powodzeniem stosowane w samochodach szczególnie małej klasy (Citroen 2 CV, Fiat 126). Z punktu widzenia równowagi, kolejnym z szeregu celowych zastosowań jest silnik czterocylindrowy, jednak obecnie zaczynają być stosowane silniki trzycylindrowe z małą objętością roboczą cylindrów, ponieważ pozwalają one na niskie zużycie paliwa. Ponadto mniejsza liczba cylindrów upraszcza i zmniejsza koszt akcesoriów do silnika, ponieważ zmniejsza się liczba świec zapłonowych, wtryskiwaczy i par tłoków wysokociśnieniowej pompy paliwowej. Umieszczony poprzecznie w samochodzie taki silnik ma krótszą długość i nie ogranicza kierowania kierownicami.

Silnik trzycylindrowy pozwala na zastosowanie podstawowych części zunifikowanych z silnikiem czterocylindrowym: tulei cylindrowej, zespołu tłoków, zespołu korbowodów, mechanizmu zaworowego. To samo rozwiązanie jest możliwe dla silnika pięciocylindrowego, co pozwala w razie potrzeby zwiększyć zakres mocy w górę od podstawowego czterocylindrowego silnika, aby uniknąć przejścia na dłuższy sześciocylindrowy.

Wskazano już na zalety stosowania silników wysokoprężnych o dużej pojemności cylindra. Oprócz zmniejszenia strat ciepła podczas spalania, umożliwia to uzyskanie bardziej zwartej komory spalania, w której przy umiarkowanych stopniach sprężania powstają wyższe temperatury w momencie wtrysku paliwa. W przypadku cylindra o dużej objętości roboczej można zastosować dysze z dużą liczbą dysz, które są mniej wrażliwe na tworzenie się węgla.

STOSUNEK SKOKU TŁOKU DO ŚREDNICY CYLINDRÓW

Iloraz z podzielenia wielkości skoku tłoka S przez wielkość średnicy cylindra rejest powszechnie używaną wartością stosunku S / D . Punkt widzenia na wielkość skoku tłoka zmienił się wraz z rozwojem konstrukcji silnika.

Na początkowym etapie budowy silnika samochodowego obowiązywała tzw. Formuła podatkowa, na podstawie której obliczano podatek od mocy silnika z uwzględnieniem liczby i średnicy D jego cylindry. Klasyfikację silników przeprowadzono również zgodnie z tym wzorem. Dlatego też preferowano silniki o dużym skoku tłoka w celu zwiększenia mocy silnika w tej kategorii podatkowej. Moc silnika wzrosła, ale wzrost prędkości był ograniczony dopuszczalną średnią prędkością tłoka. Ponieważ mechanizm dystrybucji gazu w silniku w tym okresie nie był przystosowany do wysokich obrotów, ograniczenie prędkości obrotowej przez prędkość tłoka nie miało znaczenia.

Gdy tylko zniesiono opisaną formułę podatkową, a klasyfikację silników zaczęto przeprowadzać zgodnie z objętością roboczą cylindra, skok tłoka zaczął się gwałtownie zmniejszać, co umożliwiło zwiększenie prędkości obrotowej, a tym samym mocy silnika. W większych cylindrach możliwe stały się większe rozmiary zaworów. Dlatego powstały silniki o krótkim skoku ze stosunkiem S / D sięgającym 0,5. Udoskonalenie mechanizmu dystrybucji gazu, szczególnie przy zastosowaniu czterech zaworów w cylindrze, umożliwiło doprowadzenie nominalnej prędkości obrotowej silnika do 10000 obr / min i więcej, w wyniku czego moc właściwa gwałtownie wzrosła

Obecnie wiele uwagi poświęca się zmniejszeniu zużycia paliwa, a przeprowadzone w tym celu badania wpływu S / D wykazały, że silniki o krótkim skoku mają zwiększone jednostkowe zużycie paliwa. Spowodowane jest to dużą powierzchnią komory spalania, a także spadkiem sprawności mechanicznej silnika ze względu na relatywnie dużą wartość przesuwających się postępowo mas części zespołu korbowód-tłok oraz wzrost strat na napędach osprzętu pomocniczego. Przy bardzo krótkim skoku korbowód należy wydłużyć tak, aby dolna część trzonu tłoka nie dotkniętych przez przeciwwagi wału korbowego. Wraz ze spadkiem jego skoku masa tłoka nieznacznie się zmniejszyła i dzięki zastosowaniu wgłębień i nacięć na płaszczu tłoka.Aby zmniejszyć emisję toksycznych substancji w spalinach, celowe jest stosowanie silników o zwartej komorze spalania i dłuższym skoku tłoka, dlatego obecnie z silników o bardzo niskim współczynniku S / D odmówić.

Zależność średniego efektywnego ciśnienia od stosunku S / D najlepsze silniki wyścigowe, w których spadek q jest wyraźnie widoczny, przy niskich przełożeniach S / D pokazano na rys. 90 Obecnie stosunek S / D równy lub nieco większy niż jeden jest uważany za korzystniejszy. Chociaż przy krótkim skoku tłoka stosunek powierzchni cylindra do jego objętości roboczej w położeniu tłoka przy BDC jest mniejszy niż w przypadku silników o długim skoku, dolna strefa cylindra nie jest tak ważna dla odprowadzania ciepła, ponieważ temperatura gazu już wyraźnie spada

Silnik o długim skoku ma korzystniejszy stosunek powierzchni chłodzonej do objętości komory spalania, gdy tłok znajduje się w GMP, co jest ważniejsze, gdyż w tym okresie cyklu temperatura gazu decydująca o stratach ciepła jest najwyższa. Zmniejszenie powierzchni wymiany ciepła w tej fazie procesu rozprężania zmniejsza straty ciepła i poprawia wskazywaną sprawność silnika.

INNE SPOSOBY ZMNIEJSZENIA ZUŻYCIA PALIWA W SILNIKU

Silnik pracuje przy minimalnym zużyciu paliwa tylko w pewnym obszarze swoich właściwości.

Podczas eksploatacji pojazdu moc jego silnika musi zawsze znajdować się na krzywej minimalnego jednostkowego zużycia paliwa. W samochodzie osobowym warunek ten jest spełniony przy zastosowaniu cztero- i pięciobiegowej skrzyni biegów, a im mniej biegów, tym trudniej ten warunek spełnić. Podczas jazdy po poziomym odcinku drogi silnik nie pracuje optymalnie nawet przy włączonym czwartym biegu. Dlatego dla optymalnego obciążenia silnika samochód należy rozpędzać na najwyższym biegu, aż do osiągnięcia maksymalnej dozwolonej przez prawo prędkości. Następnie wskazane jest przestawienie skrzyni biegów w położenie neutralne, wyłączenie silnika i wybiegiem do spadku prędkości np. Do 60 km / h, a następnie ponowne włączenie silnika i górnego biegu w skrzyni i przy optymalnym dociśnięciu pedału sterowania silnikiem przywrócenie prędkości do 90 km / h.

Taki samochód jeżdżący na zasadzie „kołowrotka przyspieszenia”. Ta metoda jazdy jest dopuszczalna w zawodach ekonomicznych, ponieważ silnik pracuje w ekonomicznym zakresie lub jest wyłączony. Jednak nie nadaje się do rzeczywistej eksploatacji samochodu w dużym ruchu.

Ten przykład pokazuje jeden sposób na zmniejszenie zużycia paliwa. Innym sposobem na zminimalizowanie jednostkowego zużycia paliwa jest ograniczenie mocy silnika przy zachowaniu dobrej sprawności mechanicznej. Negatywny wpływ częściowego obciążenia na sprawność mechaniczną pokazano już w tabeli. 11A. W szczególności ze stołu. 11B widać, że przy zmniejszeniu obciążenia silnika ze 100% do 30% udział strat mechanicznych w pracy wskaźnika wzrasta z 12% do 33%, a sprawność mechaniczna spada z 88% do 67%. Poziom mocy rzędu 30% wartości maksymalnej można osiągnąć przy pracujących tylko dwóch cylindrach czterocylindrowego silnika.

ODŁĄCZ CYLINDRY

Jeśli przy częściowym obciążeniu silnika wielocylindrowego kilka cylindrów zostanie wyłączonych, to pozostałe będą pracować przy większym obciążeniu z lepszą wydajnością. Tak więc, gdy ośmiocylindrowy silnik pracuje przy częściowym obciążeniu, całą objętość powietrza można skierować tylko do czterech cylindrów, ich obciążenie podwoi się, a sprawność efektywna silnika wzrośnie. Powierzchnia chłodząca komór spalania czterech cylindrów jest mniejsza niż ośmiu, dzięki czemu ilość ciepła rozpraszanego przez układ chłodzenia jest zmniejszona, a zużycie paliwa można zmniejszyć o 25%.

Sterowanie napędem zaworów jest zwykle używane do odcięcia cylindrów. Jeśli oba zawory są zamknięte, mieszanina nie dostaje się do butli, a znajdujący się w niej gaz jest sukcesywnie sprężany i rozprężany. Praca poświęcona w tym przypadku na sprężanie gazu jest ponownie uwalniana, gdy rozszerza się on w warunkach niewielkiego rozpraszania ciepła przez ściany cylindra. Sprawność mechaniczna i wskaźnikowa w tym przypadku jest lepsza w porównaniu z wydajnością ośmiocylindrowego silnika pracującego na wszystkich cylindrach przy tej samej efektywnej mocy.

Ta metoda wyłączania cylindrów jest bardzo wygodna, ponieważ cylinder jest wyłączany automatycznie, gdy silnik przełącza się na częściowe obciążenie i jest włączany prawie natychmiast po naciśnięciu pedału sterującego. Dzięki temu kierowca może w dowolnym momencie wykorzystać pełną moc silnika do wyprzedzania lub szybkiego wjazdu na wzniesienie. Oszczędność paliwa jest szczególnie widoczna podczas jazdy po mieście. Poza cylindrami nie występują straty podczas pompowania i nie dostarczają powietrza do przewodu wydechowego. Podczas zjazdu ze wzniesienia odłączone cylindry stawiają mniejszy opór, hamowanie silnikiem jest ograniczone, a pojazd pokonuje większy dystans, jak w przypadku wolnego koła.

Wygodne jest wyłączenie cylindra silnika górnozaworowego za pomocą dolnego wałka rozrządu za pomocą elektromagnesu poruszanego ogranicznikiem wahacza zaworu. Gdy solenoid jest wyłączony, zawór pozostaje zamknięty, ponieważ ramię wahacza jest obracane przez krzywkę wałka rozrządu wokół punktu styku z końcem trzpienia zaworu, a ramię wahacza może się jednocześnie swobodnie poruszać.

W przypadku silnika ośmiocylindrowego dwa lub cztery cylindry są wyłączane w taki sposób, aby naprzemienność cylindrów roboczych była jak najbardziej równomierna. W silniku sześciocylindrowym jeden do trzech cylindrów jest wyłączonych. Trwają również próby wyłączenia dwóch cylindrów czterocylindrowego silnika.

Takie wyłączenie zaworów w silniku z górnym wałkiem rozrządu jest trudne, dlatego stosuje się inne metody wyłączania cylindrów. Na przykład połowa cylindrów sześciocylindrowego silnika BMW (FRG) jest wyłączona, dzięki czemu zapłon i wtrysk są wyłączone dla trzech cylindrów, a spaliny z trzech cylindrów roboczych są odprowadzane przez trzy wyłączone cylindry i mogą dalej rozszerzać się. Proces ten jest realizowany przez zawory w rurach dolotowych i wydechowych. Zaletą tej metody jest to, że wyłączone cylindry są stale podgrzewane przez przepływające spaliny.

Silnik Porsche 928 V-8 z dezaktywacją cylindra ma dwie prawie całkowicie oddzielne czterocylindrowe sekcje V. Każdy z nich wyposażony jest w niezależny rurociąg dolotowy, natomiast mechanizm dystrybucji gazu nie posiada wyłączania napędów zaworów. Jeden z silników jest wyłączany poprzez zamknięcie przepustnicy i zatrzymanie wtrysku benzyny, a testy wykazały, że straty pompowania będą najmniejsze przy małym otwarciu przepustnicy. Przepustnice obu sekcji wyposażone są w niezależne napędy. Wyłączana sekcja stale dostarcza niewielką ilość powietrza do wspólnej rury wydechowej, która służy do dopalania spalin w reaktorze termicznym. Wyklucza to użycie specjalnej pompy do dostarczania powietrza wtórnego.

Gdy ośmiocylindrowy silnik jest podzielony na dwie czterocylindrowe sekcje, jedna z nich jest nastawiona na wysoki moment obrotowy przy niskich obrotach i pracuje w sposób ciągły, a druga jest ustawiona na moc maksymalną i jest włączana tylko wtedy, gdy konieczne jest posiadanie mocy zbliżonej do maksymalnej. Sekcje silnika mogą mieć różne fazy rozrządu i różne długości przewodów dolotowych.

Wieloparametrową charakterystykę silnika Porsche 928 podczas pracy ośmiu (krzywe pełne) i czterech cylindrów (krzywe przerywane) przedstawiono na rys. 91. Obszary poprawy jednostkowego zużycia paliwa w wyniku wyłączenia czterech cylindrów silnika są zacienione. Przykładowo przy prędkości obrotowej 2000 obr / min i momencie obrotowym 80 Nm jednostkowe zużycie paliwa przy pracy wszystkich ośmiu cylindrów silnika wynosi 400 g / (kWh), natomiast dla silnika z czterema cylindrami wyłączonymi w tym samym trybie jest nieco większe 350 g / (kWh).

Jeszcze bardziej zauważalne oszczędności paliwa można uzyskać przy niskich prędkościach pojazdu. Różnicę w zużyciu paliwa przy równomiernym ruchu wzdłuż poziomego odcinka autostrady pokazano na ryc. 92. W przypadku silnika z czterema odłączonymi cylindrami (krzywa przerywana) przy prędkości 40 km / h zużycie paliwa spada o 25%: z 8 do 6 l / 100 km.

Ale oszczędność paliwa w silniku można osiągnąć nie tylko poprzez wyłączenie cylindrów. W nowych silnikach Porsche TOP(„Zoptymalizowany termodynamicznie silnik Porsche”) zostały wdrożone wszystkie możliwe sposoby poprawy wydajności wskaźnika tradycyjnego silnika benzynowego. Stopień sprężania zwiększono najpierw z 8,5 do 10, a następnie zmieniając kształt denka tłoka do 12,5, zwiększając jednocześnie intensywność obrotów ładunku w cylindrze podczas suwu sprężania. Ulepszone w ten sposób silniki „Porsche 924” i „Porsche 928” zmniejszyły jednostkowe zużycie paliwa o 6–12%. Zastosowany w tym przypadku elektroniczny układ zapłonowy, ustawiający optymalne czasy zapłonu w zależności od prędkości obrotowej i obciążenia silnika, zwiększa sprawność silnika przy częściowym obciążeniu w warunkach ubogich mieszanek, a także eliminuje detonację przy maksymalnych obciążeniach.

Wyłączanie silnika, gdy pojazd zatrzymuje się na skrzyżowaniach, również oszczędza paliwo. Gdy silnik pracuje na biegu jałowym z prędkością niższą niż 1000 obr / min, a temperatura płynu chłodzącego jest wyższa niż 40 ° C, zapłon wyłącza się po 3,5 s. Silnik uruchamia się ponownie dopiero po wciśnięciu pedału sterującego. Zmniejsza to zużycie paliwa o 25-35%, a tym samym w silnikach benzynowych Porsche TOPpod względem oszczędności paliwa mogą konkurować z silnikami wysokoprężnymi.

Mercedes-Benz próbował również zmniejszyć zużycie paliwa w V-8 poprzez wyłączenie cylindrów. Odłączenie zostało osiągnięte za pomocą urządzenia elektromagnetycznego zrywającego sztywne połączenie między krzywką a zaworem. W warunkach miejskich zużycie paliwa spadło o 32%.

ZAPŁON PLAZMOWY

Możliwe jest stosowanie ubogich mieszanek w celu zmniejszenia zużycia paliwa i zawartości szkodliwych substancji w spalinach, ale zapłon iskrowy jest utrudniony. Gwarantowany zapłon iskrowy występuje wtedy, gdy stosunek mas powietrze / paliwo nie przekracza 17. Przy gorszym składzie dochodzi do przerw zapłonu, co prowadzi do wzrostu zawartości szkodliwych substancji w spalinach.

Tworząc ładunek uwarstwiony w cylindrze, można spalić bardzo ubogą mieszankę, pod warunkiem, że w obszarze świecy zapłonowej utworzy się bogata mieszanka. Bogata mieszanka jest wysoce łatwopalna, a płomień wrzucony do objętości komory spalania zapala znajdującą się tam ubogą mieszankę.

W ostatnich latach prowadzono badania nad zapłonem mieszanek ubogich metodami plazmowymi i laserowymi, w których w komorze spalania powstaje kilka ognisk spalania, gdyż mieszanka jest zapalana jednocześnie w różnych strefach komory. W rezultacie eliminowane są problemy ze stukaniem, a stopień sprężania można zwiększyć nawet przy stosowaniu paliwa o niskiej liczbie oktanowej. W takim przypadku możliwy jest zapłon ubogich mieszanek o stosunku powietrze / paliwo do 27.

Podczas zapłonu plazmy łuk elektryczny tworzy wysokie stężenie energii elektrycznej w zjonizowanej iskierniku o wystarczająco dużej objętości. Jednocześnie w łuku powstają temperatury do 40000 ° C, to znaczy powstają warunki podobne do spawania łukowego.

Jednak wdrożenie metody zapłonu plazmowego w silniku spalinowym nie jest tak łatwe. Plazmową świecę zapłonową pokazano na rys. 93. Mała komora jest wykonana pod elektrodą środkową w izolatorze świecy zapłonowej. Gdy między elektrodą centralną a korpusem świecy występuje długie wyładowanie elektryczne, gaz w komorze nagrzewa się do bardzo wysokiej temperatury i rozszerzając się, wypływa przez otwór w korpusie świecy do komory spalania. Powstaje palnik plazmowy o długości około 6 mm, dzięki któremu powstaje kilka kieszeni płomienia, przyczyniających się do zapłonu i spalania ubogiej mieszanki.

Inny typ plazmowego systemu zapłonu wykorzystuje małą pompę wysokociśnieniową, która dostarcza powietrze do elektrod podczas generowania łuku. Objętość zjonizowanego powietrza powstającego podczas wyładowania między elektrodami dostaje się do komory spalania.

Metody te są bardzo złożone i nie mają zastosowania do silników samochodowych. Dlatego opracowano inną metodę, w której świeca zapłonowa wytwarza stały łuk elektryczny pod kątem 30 ° wału korbowego. W tym przypadku uwalniane jest do 20 MJ energii, czyli znacznie więcej niż w przypadku konwencjonalnego wyładowania iskrowego. Wiadomo, że jeśli podczas zapłonu iskrowego nie zostanie wytworzona wystarczająca ilość energii, mieszanina nie ulegnie zapaleniu.

Łuk plazmowy w połączeniu z obrotem ładunku w komorze spalania tworzy dużą powierzchnię zapłonu, ponieważ w tym czasie kształt i wielkość łuku plazmowego znacznie się zmieniają. Wraz ze wzrostem czasu trwania zapłonu oznacza to również obecność wyzwalanej dla niego wysokiej energii.

W przeciwieństwie do standardowego układu w obwodzie wtórnym plazmowego układu zapłonowego działa stałe napięcie 3000 V. W momencie wyładowania w iskierniku świecy powstaje normalna iskra. W tym przypadku opór na elektrodach świecy maleje, a stałe napięcie 3000 V tworzy łuk, zapalany w momencie wyładowania. Do utrzymania łuku wystarcza napięcie około 900 V.

Plazmowy układ zapłonowy różni się od standardowego wbudowanego przerywacza prądu stałego wysokiej częstotliwości (12 kHz) napięciem 12 V. Cewka indukcyjna podnosi napięcie do 3000 V, które jest następnie prostowane. Należy zauważyć, że przedłużone wyładowanie łuku na świecy zapłonowej znacznie skróci jej żywotność.

Przy zapłonie plazmowym płomień rozprzestrzenia się szybciej w komorze spalania, więc wymagana jest odpowiednia zmiana czasu zapłonu. Wyniki testów plazmowego układu zapłonowego w samochodzie Ford Pinto (USA) z silnikiem o pojemności 2300 cm3 i automatyczną skrzynią biegów dały wyniki przedstawione w tabeli. 12.

Tabela 12. Wyniki testów plazmowego układu zapłonowego w samochodzie Ford Pinto

Dzięki zapłonowi plazmowemu możliwe jest prowadzenie wysokiej jakości kontroli silnika benzynowego, w którym ilość dostarczanego powietrza pozostaje niezmieniona, a moc silnika jest kontrolowana jedynie poprzez regulację ilości dostarczanego paliwa. Gdy w silniku zastosowano plazmowy układ zapłonowy bez zmiany czasu zapłonu i składu mieszanki, zużycie paliwa zmniejszyło się o 0,9%, przy regulacji kąta zapłonu - o 4,5%, a przy optymalnej regulacji kąta zapłonu i składu mieszanki - o 14% ( patrz Tabela 12). Zapłon plazmowy poprawia osiągi silnika, szczególnie przy częściowym obciążeniu, a zużycie paliwa może być takie samo jak w przypadku oleju napędowego.

OGRANICZENIE EMISJI SUBSTANCJI TOKSYCZNYCH ZE SPALINAMI

Wzrost motoryzacji pociąga za sobą potrzebę działań na rzecz ochrony środowiska. Powietrze w miastach jest coraz bardziej zanieczyszczane substancjami szkodliwymi dla zdrowia człowieka, zwłaszcza tlenkiem węgla, niespalonymi węglowodorami, tlenkami azotu, związkami ołowiu, siarki itp. Są to w dużej mierze produkty niepełnego spalania paliw wykorzystywanych w przedsiębiorstwach, w życiu codziennym, a także w silnikach samochodowych.

Wraz z substancjami toksycznymi podczas eksploatacji samochodów ich hałas ma również szkodliwy wpływ na ludność. W ostatnich latach poziom hałasu w miastach wzrastał o 1 dB rocznie, dlatego konieczne jest nie tylko zahamowanie wzrostu ogólnego poziomu hałasu, ale także osiągnięcie jego redukcji. Stałe narażenie na hałas powoduje choroby nerwowe, ogranicza zdolność do pracy ludzi, zwłaszcza osób zaangażowanych w aktywność umysłową. Motoryzacja przenosi hałas do wcześniej cichych, odległych miejsc. Niestety, nie poświęcono należytej uwagi redukcji hałasu generowanego przez maszyny do obróbki drewna i maszyny rolnicze. Piła łańcuchowa wytwarza hałas w dużej części lasu, co powoduje zmiany warunków życia zwierząt i często powoduje znikanie niektórych gatunków.

Najczęściej jednak krytyka budzi zanieczyszczenie atmosfery spalinami samochodowymi.

Tabela 13. Dopuszczalna emisja substancji szkodliwych ze spalinami samochodów osobowych zgodnie z przepisami poz. Kalifornia, USA

Przy dużym natężeniu ruchu spaliny gromadzą się na powierzchni gleby, aw obecności promieniowania słonecznego, zwłaszcza w miastach przemysłowych położonych w słabo wentylowanych basenach, powstaje tzw. Smog. Atmosfera jest zanieczyszczona do tego stopnia, że \u200b\u200bprzebywanie w niej jest szkodliwe dla zdrowia. Funkcjonariusze ruchu drogowego na niektórych ruchliwych skrzyżowaniach używają masek tlenowych, aby zachować zdrowie. Szczególnie szkodliwy jest stosunkowo ciężki tlenek węgla znajdujący się blisko powierzchni ziemi, przenikający do dolnych kondygnacji budynków, garaży i niejednokrotnie prowadzący do śmierci.

Przedsiębiorstwa legislacyjne ograniczają zawartość szkodliwych substancji w spalinach samochodów i są stale zaostrzane (tab. 13).

Regulacje są dużym problemem dla producentów samochodów; wpływają również pośrednio na efektywność transportu drogowego.

W celu całkowitego spalenia paliwa można dopuścić pewien nadmiar powietrza, aby zapewnić dobre wymieszanie z nim paliwa. Wymagany nadmiar powietrza zależy od stopnia wymieszania paliwa z powietrzem. W silnikach gaźnikowych proces ten zajmuje dużo czasu, ponieważ droga paliwowa od urządzenia do mieszania do świecy zapłonowej jest dość długa.

Nowoczesny gaźnik pozwala na tworzenie różnego rodzaju mieszanek. Najbogatsza mieszanka jest potrzebna do zimnego rozruchu silnika, gdyż znaczna część paliwa skrapla się na ściankach kolektora dolotowego i nie przedostaje się od razu do cylindra. Wyparowuje tylko niewielka część lekkich frakcji paliwa. Gdy silnik się nagrzewa, wymagana jest również mieszanka o bogatym składzie.

Kiedy samochód jest w ruchu, skład mieszanki paliwowo-powietrznej powinien być słaby, co zapewni dobrą wydajność i niskie jednostkowe zużycie paliwa. Aby osiągnąć maksymalną moc silnika, musisz mieć bogatą mieszankę, aby w pełni wykorzystać całą masę powietrza wpływającego do cylindra. Aby zapewnić dobre właściwości dynamiczne silnika przy szybkim otwieraniu przepustnicy, konieczne jest dodatkowe doprowadzenie do kolektora dolotowego określonej ilości paliwa, które kompensuje paliwo, które osiadło i skropliło się na ściankach rurociągu w wyniku wzrostu ciśnienia w nim.

Aby zapewnić dobre wymieszanie paliwa z powietrzem, należy zapewnić dużą prędkość powietrza i rotację. Jeżeli przekrój dyfuzora gaźnika jest stały, to przy niskich prędkościach obrotowych silnika dla dobrego tworzenia mieszanki prędkość powietrza w nim jest niska, a przy dużych prędkościach opór dyfuzora prowadzi do zmniejszenia masy powietrza wpływającego do silnika. Wadę tę można wyeliminować stosując gaźnik o zmiennym przekroju lub wtrysk paliwa do kolektora dolotowego.

Istnieje kilka typów układów wtryskowych do kolektora dolotowego benzyny. W najczęściej stosowanych układach paliwo dostarczane jest przez oddzielną dyszę dla każdego cylindra, dzięki czemu uzyskuje się równomierne rozprowadzenie paliwa między cylindrami, eliminując osadzanie się i kondensację paliwa na zimnych ścianach kolektora dolotowego. Ilość wtryskiwanego paliwa łatwiej zbliżyć się do optimum wymaganego w danej chwili przez silnik. Nie ma potrzeby stosowania dyfuzora, a straty energii wynikające z przepływu powietrza są wyeliminowane. Przykładem takiego układu doprowadzania paliwa jest często stosowany układ wtryskowy Bosch K-Jetronic, o którym mowa już w 9.5 przy rozważaniu silników turbodoładowanych.

Schemat tego systemu przedstawiono na rys. 94. Stożkowa rura odgałęziona / w której porusza się wahadło na dźwigni 2 zawór 5 jest tak skonstruowany, że skok zaworu jest proporcjonalny do masowego przepływu powietrza. Okno 5 do przejścia paliwa są otwierane przez szpulę 6 w korpusie regulatora, gdy dźwignia porusza się pod wpływem rynny dopływu powietrza. Niezbędne zmiany w składzie mieszanki zgodnie z indywidualnymi cechami silnika uzyskuje się poprzez kształt stożkowej rury. Dźwignia z zaworem jest równoważona przez przeciwwagę, siły bezwładności podczas drgań pojazdu nie wpływają na zawór.

Przepływ powietrza do silnika jest regulowany przez przepustnicę 4. Tłumienie drgań zaworów, a wraz z nimi szpuli zaworowej, powstające przy niskich prędkościach obrotowych silnika na skutek pulsacji ciśnienia powietrza w kolektorze dolotowym, odbywa się za pomocą dysz w układzie paliwowym. Śruba 7 znajdująca się w dźwigni zaworu służy również do regulacji ilości dostarczanego paliwa.

Między okienkiem 5 a dyszą 8 ustawiony zawór sterujący 10, sprężynowy 13 i siodła 12, na podstawie membrany //, stałe ciśnienie wtrysku w rozpylaczu dyszowym 0,33 MPa przy ciśnieniu przed zaworem 0,47 MPa.

Paliwo ze zbiornika 16 zasilany elektryczną pompą paliwa 15 przez regulator ciśnienia 18 i filtr paliwa 17 do dolnej komory 9 obudowa regulatora. Stałe ciśnienie paliwa w reduktorze jest utrzymywane przez zawór redukcyjny 14. Regulator membranowy 18 przeznaczony do utrzymywania ciśnienia paliwa, gdy silnik nie pracuje. Zapobiega to tworzeniu się kieszeni powietrznych i zapewnia dobry rozruch rozgrzanego silnika. Regulator spowalnia również wzrost ciśnienia paliwa przy uruchamianiu silnika oraz tłumi jego wahania w rurociągu.

Kilka urządzeń ułatwia uruchomienie zimnego silnika. Zawór obejściowy 20, sterowany bimetalową sprężyną, otwiera przewód spustowy do zbiornika paliwa podczas zimnego startu, co zmniejsza ciśnienie paliwa na końcu szpuli. To zaburza równowagę dźwigni i taka sama ilość napływającego powietrza będzie odpowiadać większej objętości wtryskiwanego paliwa. Kolejnym urządzeniem jest dodatkowy regulator powietrza 19, której membrana jest również otwierana przez bimetaliczną sprężynę. Potrzebne jest dodatkowe powietrze, aby pokonać zwiększony opór tarcia zimnego silnika. Trzecie urządzenie to wtryskiwacz paliwa 21 zimny start, sterowany termostatem 22 w płaszczu wodnym silnika, który utrzymuje wtryskiwacz otwarty, aż płyn chłodzący silnik osiągnie ustawioną temperaturę.

Elektronika rozpatrywanego układu wtrysku benzyny ograniczona jest do minimum. Elektryczna pompa paliwa wyłącza się po zatrzymaniu silnika i np. W razie wypadku odcina dopływ paliwa, co zapobiega pożarowi w samochodzie. Gdy silnik nie pracuje, dźwignia w dolnym położeniu naciska znajdujący się pod nią wyłącznik, który przerywa prąd dostarczany do rozrusznika i cewek grzewczych termostatu. Wydajność wtryskiwacza do rozruchu na zimno zależy od temperatury silnika i czasu pracy silnika.

Jeśli więcej powietrza dostaje się do jednego cylindra z kolektora dolotowego niż inne, wówczas zasilanie paliwem zależy od warunków pracy cylindra z dużą ilością powietrza, to znaczy z ubogą mieszanką, dzięki czemu zapewniony jest w nim niezawodny zapłon. W takim przypadku pozostałe butle będą pracować z mieszankami wzbogaconymi, co jest niekorzystne ekonomicznie i prowadzi do wzrostu zawartości substancji szkodliwych.

W silnikach wysokoprężnych tworzenie mieszanki jest trudniejsze, ponieważ mieszanie paliwa z powietrzem trwa bardzo krótko. Proces zapłonu paliwa rozpoczyna się z niewielkim opóźnieniem po rozpoczęciu wtrysku paliwa do komory spalania. W trakcie procesu spalania nadal trwa wtrysk paliwa iw takich warunkach nie jest możliwe osiągnięcie pełnego wykorzystania powietrza.

W silnikach wysokoprężnych musi więc występować nadmiar powietrza, a nawet podczas dymienia (co wskazuje na niepełne spalanie mieszanki) w spalinach obecny jest niewykorzystany tlen. Jest to spowodowane słabym wymieszaniem kropel paliwa z powietrzem. Brak powietrza pośrodku pochodni paliwa, co prowadzi do dymienia, chociaż w bezpośrednim sąsiedztwie pochodni znajduje się niewykorzystane powietrze. O niektórych z nich wspomniano już w 8.7.

Zaletą silników Diesla jest to, że zapłon mieszanki jest gwarantowany nawet przy dużym nadmiarze powietrza. Niewykorzystanie całej ilości powietrza wchodzącego do cylindra podczas spalania jest przyczyną stosunkowo niskiej mocy właściwej silnika wysokoprężnego na jednostkę masy i pojemności skokowej, pomimo wysokiego stopnia sprężania.

Doskonalsze tworzenie mieszanki zachodzi w silnikach wysokoprężnych z wydzielonymi komorami spalania, w których spalana bogata mieszanka z komory dodatkowej dostaje się do głównej komory spalania wypełnionej powietrzem, dobrze się z nią miesza i spala. Wymaga to mniejszego nadmiaru powietrza niż przy bezpośrednim wtrysku paliwa, jednakże duża powierzchnia chłodząca ścianek prowadzi do dużych strat ciepła, co powoduje spadek sprawności wskaźnika.

13.1. TWORZENIE TLENKU WĘGLA CO I WĘGLOWODORÓW CHx

Przy spalaniu mieszanki o składzie stechiometrycznym powinien powstać nieszkodliwy dwutlenek węgla CO2 i para wodna, aw przypadku braku powietrza spowodowanego niepełnym spalaniem części paliwa dodatkowo toksyczny tlenek węgla CO i niespalone węglowodory CHx.

Te szkodliwe dla zdrowia składniki spalin można spalić i unieszkodliwić. W tym celu konieczne jest doprowadzenie świeżego powietrza specjalną sprężarką K (Rys. 95) do miejsca w rurze wydechowej, w którym mogą ulec spaleniu szkodliwe produkty niepełnego spalania. Czasami w tym celu powietrze jest dostarczane bezpośrednio do gorącego zaworu wylotowego.

Z reguły reaktor termiczny do dopalania CO i CHx jest umieszczony bezpośrednio za silnikiem, bezpośrednio na wylocie spalin. Spaliny Mdostarczane do środka reaktora i usuwane z jego obrzeża do rurociągu wylotowego V.Zewnętrzna powierzchnia reaktora ma izolację termiczną I.

W najbardziej ogrzewanej centralnej części reaktora znajduje się komora ogniowa ogrzewana spalinami,

gdzie spalane są produkty niepełnego spalania paliwa. To uwalnia ciepło, które utrzymuje reaktor w wysokiej temperaturze.

Niespalone składniki spalin można utleniać bez spalania za pomocą katalizatora. Aby to zrobić, konieczne jest dodanie powietrza wtórnego do spalin, które jest niezbędne do utleniania, którego reakcję chemiczną przeprowadza katalizator. To również uwalnia ciepło. Zwykle jako katalizator służą metale rzadkie i szlachetne, więc jest to bardzo drogie.

Katalizatory można stosować w każdym typie silnika, ale mają one stosunkowo krótką żywotność. Jeśli w paliwie występuje ołów, powierzchnia katalizatora szybko ulega zatruciu i staje się bezużyteczna. Uzyskanie wysokooktanowej benzyny bez ołowianych środków przeciwstukowych jest dość skomplikowanym procesem, w którym zużywa się dużo ropy, co jest ekonomicznie niecelowe ze względu na jej niedobór. Oczywiste jest, że dopalanie paliwa w reaktorze termicznym prowadzi do strat energii, chociaż spalanie uwalnia ciepło, które można wykorzystać. Dlatego wskazane jest takie zorganizowanie procesu w silniku, aby podczas spalania w nim paliwa powstawała jak najmniejsza ilość szkodliwych substancji. Jednocześnie należy zauważyć, że zastosowanie katalizatorów będzie nieuniknione w celu spełnienia obiecujących wymogów prawnych.

TWORZENIE TLENKÓW AZOTU NOx

Tlenki azotu szkodliwe dla zdrowia powstają przy wysokich temperaturach spalania w warunkach stechiometrycznego składu mieszanki. Zmniejszenie emisji związków azotu wiąże się z pewnymi trudnościami, ponieważ warunki ich redukcji pokrywają się z warunkami powstawania szkodliwych produktów niepełnego spalania i odwrotnie. Jednocześnie można obniżyć temperaturę spalania, wprowadzając do mieszanki pewną ilość gazu obojętnego lub pary wodnej.

W tym celu zaleca się recyrkulację schłodzonych spalin do kolektora dolotowego. Wynikający z tego spadek mocy wymaga wzbogacenia mieszanki, większego otwarcia przepustnicy, co zwiększa całkowitą emisję szkodliwego CO i CHx ze spalinami.

Recyrkulacja spalin, w połączeniu ze zmniejszonym stopniem sprężania, zmiennymi fazami rozrządu i późniejszym zapłonem, może obniżyć NOx o 80%.

Tlenki azotu są usuwane ze spalin również metodami katalitycznymi. W tym przypadku spaliny przechodzą najpierw przez katalizator redukcyjny, w którym następuje redukcja zawartości NOx, a następnie wraz z dodatkowym powietrzem przez katalizator utleniania, w którym następuje eliminacja CO i CHx. Schemat takiego dwuskładnikowego układu pokazano na rys. 96.

W celu obniżenia zawartości szkodliwych substancji w spalinach stosuje się tzw. Β-sondy, które można stosować również w połączeniu z dwuskładnikowym katalizatorem. Osobliwością systemu z sondą jest to, że dodatkowe powietrze do utleniania nie jest dostarczane do katalizatora, ale sonda stale monitoruje zawartość tlenu w spalinach i kontroluje dopływ paliwa tak, aby skład mieszanki był zawsze stechiometryczny. W takim przypadku CO, CHx i NOx będą obecne w spalinach w minimalnych ilościach.

Zasada działania sondy polega na tym, że w wąskim zakresie, w pobliżu składu stechiometrycznego mieszanki \u003d 1, gwałtownie zmienia się napięcie między wewnętrzną i zewnętrzną powierzchnią sondy, co służy jako impuls sterujący dla urządzenia regulującego dopływ paliwa. Element wyczuwający 1 sonda wykonana jest z dwutlenku cyrkonu, a jej powierzchnia 2 pokryty warstwą platyny. Charakterystykę napięcia Us między wewnętrzną i zewnętrzną powierzchnią elementu czułego pokazano na rys. 97.

INNE SUBSTANCJE TOKSYCZNE

Aby zwiększyć liczbę oktanową paliwa, zwykle stosuje się środki przeciwstukowe, takie jak tetraetyloołow. Aby zapobiec osadzaniu się związków ołowiu na ściankach komory spalania i zaworach, stosuje się tak zwane zmiatacze, w szczególności dibromoetyl.

Związki te przedostają się do atmosfery ze spalinami i zanieczyszczają roślinność wzdłuż dróg. Wchodząc do organizmu człowieka z pożywieniem, związki ołowiu niekorzystnie wpływają na jego zdrowie. Wspomniano już o osadzaniu się ołowiu w katalizatorach spalin. W związku z tym ważnym zadaniem jest teraz usuwanie ołowiu z benzyny.

Olej wchodzący do komory spalania nie wypala się całkowicie, a zawartość CO i CHx w spalinach wzrasta. Aby wyeliminować to zjawisko, wymagana jest duża szczelność pierścieni tłokowych oraz utrzymanie dobrego stanu technicznego silnika.

Spalanie dużych ilości oleju jest szczególnie powszechne w silnikach dwusuwowych, w których jest on dodawany do paliwa. Negatywne skutki stosowania mieszanin gazowo-olejowych są częściowo łagodzone poprzez dozowanie oleju specjalną pompą dostosowaną do obciążenia silnika. Podobne trudności występują przy korzystaniu z silnika Wankla.

Opary benzyny mają również szkodliwy wpływ na zdrowie ludzi. Dlatego wentylację skrzyni korbowej należy przeprowadzić w taki sposób, aby gazy i opary, które dostają się do skrzyni korbowej z powodu słabej szczelności, nie dostały się do atmosfery. Wyciek oparów benzyny ze zbiornika paliwa można zapobiec poprzez adsorpcję i zasysanie oparów do układu dolotowego. Wyciek oleju z silnika i skrzyni biegów, zanieczyszczenie samochodu w wyniku tego olejami jest również zabronione w celu utrzymania czystego środowiska.

Zmniejszenie zużycia oleju jest równie ważne z ekonomicznego punktu widzenia, jak oszczędność paliwa, ponieważ oleje są znacznie droższe niż paliwo. Regularne kontrole i konserwacja zmniejszą zużycie oleju z powodu awarii silnika. Wycieki oleju w silniku można zaobserwować np. Z powodu słabej szczelności pokrywy głowicy cylindrów. Wycieki oleju mogą zanieczyścić silnik i spowodować pożar.

Wyciek oleju jest również niebezpieczny ze względu na słabą szczelność uszczelnienia wału korbowego. W takim przypadku zużycie oleju znacznie wzrasta, a samochód zostawia brudne ślady na drodze.

Zanieczyszczenie samochodu olejem jest bardzo niebezpieczne, a plamy oleju pod samochodem służą jako pretekst do zakazu jego eksploatacji.

Olej wyciekający przez uszczelnienie wału korbowego może dostać się do sprzęgła i spowodować jego ślizganie się. Jednak bardziej negatywne konsekwencje powoduje wnikanie oleju do komory spalania. I choć zużycie oleju jest relatywnie niskie, to jego niepełne spalanie zwiększa emisję szkodliwych składników wraz ze spalinami. Płonący olej objawia się nadmiernym dymieniem z samochodu, co jest typowe dla silników dwusuwowych, a także mocno zużytych czterosuwowych.

W silnikach czterosuwowych olej dostaje się do komory spalania przez pierścienie tłokowe, co jest szczególnie widoczne, gdy one i cylinder są mocno zużyte. Głównym powodem przedostawania się oleju do komory spalania jest nierównomierne dopasowanie pierścieni uszczelniających do obwodu cylindra. Olej spuszczany jest ze ścian cylindra przez szczeliny pierścienia zgarniającego olej i otwory w jego rowku.

Przez szczelinę między trzpieniem a prowadnicą zaworu dolotowego olej łatwo dostaje się do kolektora dolotowego, w którym występuje podciśnienie. Jest to szczególnie ważne w przypadku stosowania olejów o niskiej lepkości. Przepływowi oleju przez ten zespół można zapobiec, stosując gumowy dławik na końcu prowadnicy zaworu.

Gazy ze skrzyni korbowej silnika, które zawierają wiele szkodliwych substancji, są zwykle odprowadzane specjalnym rurociągiem do układu dolotowego. Wchodząc z niej do cylindra spalają się gazy ze skrzyni korbowej razem z mieszanką paliwowo-powietrzną.

Oleje o niskiej lepkości zmniejszają straty tarcia, poprawiają sprawność mechaniczną silnika i zmniejszają zużycie paliwa. Nie zaleca się jednak stosowania olejów o lepkości niższej niż zalecana przez normy. Może to spowodować zwiększone zużycie oleju i wysokie zużycie silnika.

Ze względu na konieczność oszczędzania oleju zbieranie i wykorzystanie oleju odpadowego staje się coraz ważniejszą kwestią. Dzięki regeneracji starych olejów można uzyskać znaczną ilość wysokiej jakości płynnych smarów, jednocześnie zapobiegając zanieczyszczeniu środowiska poprzez zatrzymanie zrzutu zużytych olejów do strumieni wody.

OKREŚLENIE DOPUSZCZALNEJ ILOŚCI SUBSTANCJI SZKODLIWYCH

Eliminacja szkodliwych substancji ze spalin to raczej trudne zadanie. W wysokich stężeniach składniki te są bardzo szkodliwe dla zdrowia. Oczywiście nie da się od razu zmienić obecnej sytuacji, zwłaszcza w odniesieniu do eksploatowanego parkingu. Z tego powodu ustawowe przepisy dotyczące kontroli szkodliwych substancji w spalinach zostały opracowane dla produkowanych nowych pojazdów. Przepisy te będą stopniowo ulepszane z uwzględnieniem nowych postępów w nauce i technologii.

Oczyszczanie spalin wiąże się ze wzrostem zużycia paliwa o prawie 10%, spadkiem mocy silnika i wzrostem kosztu samochodu. Jednocześnie rosną również koszty utrzymania pojazdów. Katalizatory są również drogie, ponieważ ich składniki składają się z metali rzadkich. Okres użytkowania należy obliczać dla 80 000 km przebiegu pojazdu, ale jeszcze nie został osiągnięty. Obecnie stosowane katalizatory przejeżdżają około 40 000 km na benzynie bezołowiowej.

Obecna sytuacja budzi wątpliwości co do skuteczności rygorystycznych regulacji dotyczących zawartości szkodliwych zanieczyszczeń, gdyż powoduje to znaczny wzrost kosztów samochodu i jego eksploatacji, a w konsekwencji prowadzi do zwiększonego zużycia oleju.

Przy obecnym stanie silników benzynowych i wysokoprężnych nie jest jeszcze możliwe spełnienie rygorystycznych wymagań dotyczących czystości spalin stawianych w przyszłości. Dlatego warto zwrócić uwagę na radykalną zmianę w elektrowni pojazdów mechanicznych.

Zgodnie z teorią Carnota, część energii cieplnej dostarczonej do obiegu musimy przekazać do otoczenia, a ta część zależy od różnicy temperatur pomiędzy źródłami ciepła ciepłego i zimnego.

Sekret żółwia

Cechą wszystkich silników cieplnych spełniających teorię Carnota jest wykorzystanie procesu rozprężania płynu roboczego, co pozwala na uzyskanie pracy mechanicznej w cylindrach silników tłokowych i wirnikach turbin. Szczytem dzisiejszej elektrociepłowni pod względem efektywności zamiany ciepła na pracę są elektrociepłownie. W nich sprawność przekracza 60% przy różnicach temperatur powyżej 1000 ºС.

W biologii eksperymentalnej ponad 50 lat temu ustalono niesamowite fakty, które zaprzeczały ugruntowanym koncepcjom klasycznej termodynamiki. Tak więc sprawność aktywności mięśniowej żółwia osiąga sprawność 75-80%. Ponadto różnica temperatur w klatce nie przekracza ułamków stopnia. Ponadto zarówno w silniku cieplnym, jak iw ogniwie energia wiązań chemicznych jest najpierw zamieniana na ciepło w reakcjach utleniania, a następnie ciepło jest zamieniane na pracę mechaniczną. Termodynamika w tej sprawie woli milczeć. Zgodnie z jego kanonami, do takiej wydajności potrzebne są różnice temperatur, które są niezgodne z życiem. Jaki jest sekret żółwia?

Tradycyjne procesy

Od czasów maszyny parowej Watta, pierwszego silnika ciepła masowego, do dnia dzisiejszego teoria silników cieplnych i techniczne rozwiązania ich realizacji przeszły długą drogę ewolucji. Kierunek ten dał początek ogromnej liczbie opracowań projektowych i powiązanych procesów fizycznych, których głównym zadaniem była zamiana energii cieplnej na pracę mechaniczną. Koncepcja „kompensacji zamiany ciepła na pracę” pozostała niezmieniona dla całej gamy silników cieplnych. Pojęcie to jest dziś postrzegane jako wiedza absolutna, codziennie sprawdzana przez wszystkie znane praktyki ludzkiej działalności. Zauważ, że fakty ze znanej praktyki wcale nie są podstawą wiedzy absolutnej, ale tylko bazą wiedzy tej praktyki. Na przykład samoloty nie zawsze latały.

Powszechną wadą technologiczną współczesnych silników cieplnych (silników spalinowych, turbin gazowych i parowych, silników rakietowych) jest konieczność oddania do otoczenia większości ciepła dostarczanego do cyklu silnika cieplnego. Głównie dlatego mają niską wydajność i oszczędność.

Zwróćmy szczególną uwagę na fakt, że wszystkie wymienione silniki cieplne wykorzystują procesy rozszerzania płynu roboczego do zamiany ciepła na pracę. To właśnie te procesy umożliwiają zamianę energii potencjalnej układu cieplnego na kooperatywną energię kinetyczną przepływów płynu roboczego, a następnie na energię mechaniczną ruchomych części maszyn cieplnych (tłoków i wirników).

Zwróćmy uwagę na jeszcze jeden, aczkolwiek trywialny, fakt, że silniki cieplne działają w atmosferze powietrza pod ciągłą kompresją sił grawitacyjnych. To siły grawitacji tworzą presję środowiska. Kompensacja za zamianę ciepła na pracę wiąże się z koniecznością wykonywania pracy wbrew siłom grawitacji (lub równoważnie przeciw presji otoczenia wywołanej siłami grawitacji). Połączenie tych dwóch wyżej wymienionych faktów prowadzi do „niższości” wszystkich nowoczesnych silników cieplnych, do konieczności przekazywania części ciepła dostarczanego do obiegu do otoczenia.

Charakter rekompensaty

Charakter kompensacji zamiany ciepła na pracę polega na tym, że 1 kg płynu roboczego na wyjściu z silnika cieplnego ma większą objętość - pod wpływem procesów rozprężania wewnątrz maszyny - niż objętość na wejściu do silnika cieplnego.

Oznacza to, że przepuszczając 1 kg płynu roboczego przez silnik cieplny, rozszerzamy atmosferę o taką wielkość, dla której konieczne jest wykonanie pracy wbrew siłom grawitacji - pracy przepychania.

Wydaje się na to część energii mechanicznej otrzymanej w maszynie. Jednak praca pchająca to tylko część kosztów kompensacji energii. Druga część kosztów wiąże się z tym, że 1 kg płynu roboczego na wylocie silnika cieplnego do atmosfery musi mieć takie samo ciśnienie atmosferyczne jak na wlocie do maszyny, ale o większej objętości. I do tego zgodnie z równaniem stanu gazowego musi mieć wyższą temperaturę, to znaczy jesteśmy zmuszeni przenieść dodatkową energię wewnętrzną na kilogram płynu roboczego w silniku cieplnym. To drugi składnik kompensacji zamiany ciepła na pracę.

Charakter rekompensaty składa się z tych dwóch składników. Zwróćmy uwagę na współzależność dwóch składników kompensacji. Im większa objętość płynu roboczego na wydechu z silnika cieplnego w porównaniu z objętością na wlocie, tym większa jest nie tylko praca nad rozszerzeniem atmosfery, ale także niezbędny wzrost energii wewnętrznej, czyli podgrzanie płynu roboczego na wydechu. I odwrotnie, jeśli w wyniku regeneracji temperatura płynu roboczego na wydechu zostanie obniżona, to zgodnie z równaniem stanu gazu zmniejszy się również objętość płynu roboczego, a co za tym idzie praca popychania. Jeśli przeprowadzimy głęboką regenerację i obniżymy temperaturę płynu roboczego na wylocie do temperatury na wlocie i tym samym wyrównamy objętość kilograma płynu roboczego na wydechu do objętości na wlocie, to kompensacja zamiany ciepła na pracę będzie wynosić zero.

Ale istnieje zasadniczo inny sposób przekształcania ciepła w pracę, bez stosowania procesu rozszerzania płynu roboczego. W tej metodzie jako ciecz roboczą stosuje się ciecz nieściśliwą. Właściwa objętość płynu roboczego w cyklicznym procesie zamiany ciepła na pracę pozostaje stała. Z tego powodu nie następuje ekspansja atmosfery, a tym samym zużycie energii, charakterystyczne dla silników cieplnych wykorzystujących procesy rozprężania. Nie ma potrzeby kompensowania zamiany ciepła na pracę. Jest to możliwe w przypadku miechów. Dostarczanie ciepła do stałej objętości nieściśliwego płynu prowadzi do gwałtownego wzrostu ciśnienia. Zatem podgrzewanie wody o stałej objętości o 1 ºС prowadzi do wzrostu ciśnienia o pięć atmosfer. Efekt ten służy do zmiany kształtu (mamy kompresję) miechów i wykonywania pracy.

Silnik tłokowy z mieszkiem

Proponowany do rozważenia silnik cieplny realizuje wspomniany powyżej zasadniczo inny sposób zamiany ciepła na pracę. Instalacja ta, wyłączając przenoszenie większości dostarczonego ciepła do otoczenia, nie wymaga kompensacji zamiany ciepła na pracę.

Aby zrealizować te możliwości, zaproponowano silnik cieplny, który zawiera cylindry robocze, których wewnętrzna wnęka jest połączona rurociągiem obejściowym z zaworami sterującymi. Jako czynnik roboczy jest wypełniony wrzącą wodą (mokra para o stopniu wysuszenia rzędu 0,05-0,1). Tłoki mieszkowe znajdują się wewnątrz cylindrów roboczych, których wewnętrzna wnęka jest połączona rurociągiem obejściowym w jedną objętość. Wewnętrzna wnęka tłoków mieszka jest połączona z atmosferą, co zapewnia stałe ciśnienie atmosferyczne wewnątrz objętości mieszka.

Tłoki mieszka są połączone suwakiem z mechanizmem korbowym, który przekształca siłę uciągu tłoków mieszkowych na ruch obrotowy wału korbowego.

Cylindry robocze znajdują się w objętości naczynia wypełnionego wrzącym olejem transformatorowym lub turbinowym. Wrzenie oleju w naczyniu zapewnia dopływ ciepła z zewnętrznego źródła. Każdy cylinder roboczy posiada zdejmowaną obudowę termoizolacyjną, która w odpowiednim czasie zakrywa cylinder zatrzymując proces wymiany ciepła między wrzącym olejem a cylindrem lub uwalnia powierzchnię cylindra roboczego i jednocześnie zapewnia przeniesienie ciepła z wrzącego oleju do płynu roboczego cylindra.

Pociski są podzielone wzdłuż długości na oddzielne cylindryczne sekcje, składające się z dwóch połówek, muszli, gdy zbliżają się do cylindra. Cechą konstrukcyjną jest rozmieszczenie cylindrów roboczych wzdłuż jednej osi. Trzpień zapewnia mechaniczną interakcję między tłokami mieszkowymi różnych cylindrów.

Tłok mieszkowy, wykonany w postaci mieszka, jest zamocowany na stałe z jednej strony rurociągiem łączącym wewnętrzne wnęki tłoków mieszkowych ze ścianą działową obudowy cylindrów roboczych. Druga strona, przymocowana do suwaka, jest ruchoma i przesuwa się (ściskana) we wnęce wewnętrznej cylindra roboczego pod wpływem zwiększonego ciśnienia korpusu roboczego cylindra.

Mieszek to cienkościenna falista rura lub komora wykonana ze stali, mosiądzu, brązu, rozciągająca się lub ściskana (jak sprężyna) w zależności od różnicy ciśnień wewnątrz i na zewnątrz lub od siły zewnętrznej.

Z drugiej strony tłok mieszka jest wykonany z materiału nieprzewodzącego ciepła. Możliwe jest wykonanie tłoka z wyżej wymienionych materiałów, ale pokrytego warstwą nieprzewodzącą ciepła. Tłok nie ma również właściwości sprężystych. Jego ściskanie następuje tylko pod wpływem różnicy ciśnień na bokach mieszka, a rozciąganie - pod wpływem tłoczyska.

Praca silnika

Silnik cieplny działa w następujący sposób.

Opis cyklu pracy silnika cieplnego zacznijmy od sytuacji pokazanej na rysunku. Tłok mieszkowy pierwszego cylindra jest całkowicie wysunięty, a tłok mieszkowy drugiego cylindra jest całkowicie ściśnięty. Osłony termoizolacyjne cylindrów są do nich mocno dociśnięte. Złączki na rurociągu łączącym wewnętrzne wnęki cylindrów roboczych są zamknięte. Temperatura oleju w zbiorniku oleju, w którym znajdują się cylindry, zostaje doprowadzona do wrzenia. Ciśnienie wrzącego oleju we wnęce naczynia, płynu roboczego wewnątrz wnęk cylindrów roboczych, jest równe ciśnieniu atmosferycznemu. Ciśnienie wewnątrz wnęk tłoków mieszka jest zawsze równe ciśnieniu atmosferycznemu - ponieważ są one połączone z atmosferą.

Stan płynu roboczego cylindrów odpowiada punktowi 1. W tym momencie zbrojenie i płaszcz termoizolacyjny na pierwszym cylindrze otwierają się. Pancerze izolacji cieplnej odsuwają się od powierzchni płaszcza cylindra 1. W tym stanie zapewnione jest przenoszenie ciepła z wrzącego oleju w zbiorniku, w którym znajdują się cylindry, do płynu roboczego pierwszego cylindra. Z drugiej strony płaszcz termoizolacyjny na drugim cylindrze ściśle przylega do powierzchni płaszcza butli. Powłoki termoizolacyjnej obudowy są dociskane do powierzchni płaszcza cylindra 2. Tym samym nie jest możliwe przeniesienie ciepła z wrzącego oleju do płynu roboczego cylindra 2. Ponieważ temperatura wrzenia oleju pod ciśnieniem atmosferycznym (około 350 ºС) we wnęce naczynia zawierającego cylindry jest wyższa niż temperatura wody wrzącej pod ciśnieniem atmosferycznym (para mokra o stopniu suchości 0,05-0,1) w komorze pierwszego cylindra, intensywne przenoszenie energii cieplnej z wrzącego oleju do płynu roboczego (wrzącej wody) pierwszego cylindra.

Jak praca jest wykonywana

Podczas pracy silnika tłokowo-mieszkowego pojawia się znacznie szkodliwy moment.

Ciepło jest przenoszone z obszaru roboczego harmonijki miechowej, gdzie ciepło jest przetwarzane na pracę mechaniczną, do obszaru nieroboczego podczas cyklicznego ruchu płynu roboczego. Jest to niedopuszczalne, ponieważ podgrzanie płynu roboczego poza obszarem roboczym prowadzi do spadku ciśnienia na niedziałających mieszkach. W ten sposób powstanie szkodliwa siła przeciwko produkcji pożytecznej pracy.

Straty z chłodzenia płynu roboczego w silniku z tłokiem mieszkowym nie są tak zasadniczo nieuniknione, jak straty ciepła w teorii Carnota dla cykli z procesami rozszerzania. Straty chłodzenia w silniku tłokowym mieszkowym można zmniejszyć do dowolnie małej wartości. Zauważ, że ta praca dotyczy sprawności cieplnej. Wewnętrzna względna sprawność związana z tarciem i innymi stratami technicznymi pozostaje na poziomie dzisiejszych silników.

W opisywanym silniku cieplnym może występować dowolna liczba par cylindrów roboczych w zależności od wymaganej mocy i innych warunków konstrukcyjnych.

Przy małych spadkach temperatury

W otaczającej nas przyrodzie stale występują różne spadki temperatury.

Na przykład różnice temperatur między warstwami wody o różnej wysokości w morzach i oceanach, między masami wody i powietrza, spadki temperatury w pobliżu źródeł termalnych itp. Pokażmy możliwość pracy silnika tłokowo-mieszkowego przy naturalnych spadkach temperatury przy wykorzystaniu odnawialnych źródeł energii. Dokonamy szacunków dotyczących warunków klimatycznych Arktyki.

Zimna warstwa wody zaczyna się od dolnej krawędzi lodu, gdzie jej temperatura wynosi 0 ° C i dochodzi do temperatury plus 4-5 ° C. W tym obszarze usuniemy tę niewielką ilość ciepła, która jest pobierana z rurociągu obejściowego, aby utrzymać stały poziom temperatury płynu roboczego w niepracujących strefach cylindrów. Dla obwodu (przewód cieplny) odprowadzającego ciepło jako nośnik ciepła wybieramy butylen cis-2-B (temperatura wrzenia-kondensacji pod ciśnieniem atmosferycznym wynosi +3,7 ° C) lub butyn 1-B (temperatura wrzenia + 8,1 ° C) ... Głębokość warstwy ciepłej wody określa się w zakresie temperatur 10-15 ° С. Tutaj obniżamy silnik tłokowo-mieszkowy. Cylindry robocze mają bezpośredni kontakt z wodą morską. Jako płyn roboczy cylindrów dobieramy substancje, które mają punkt wrzenia pod ciśnieniem atmosferycznym poniżej temperatury ciepłej warstwy. Jest to konieczne, aby zapewnić przenoszenie ciepła z wody morskiej do płynu roboczego silnika. Chlorek boru (temperatura wrzenia +12,5 ° C), butadien 1,2 - B (temperatura wrzenia +10,85 ° C), eter winylowy (temperatura wrzenia +12 ° C) mogą być oferowane jako ciecz robocza cylindrów.

Istnieje wiele substancji nieorganicznych i organicznych, które spełniają te warunki. Obiegi grzewcze z tak dobranymi nośnikami ciepła będą pracować w trybie heat pipe (w trybie wrzenia), co zapewni transfer dużych pojemności cieplnych przy niewielkich spadkach temperatur. Spadek ciśnienia pomiędzy zewnętrzną stroną a wewnętrzną wnęką mieszka, pomnożony przez powierzchnię harmonijki miecha, wytwarza siłę na suwaku i generuje moc silnika proporcjonalną do mocy dostarczanej do cylindra przez ciepło.

Jeśli temperatura nagrzewania cieczy roboczej zmniejszy się dziesięciokrotnie (o 0,1 ° C), wówczas spadek ciśnienia wzdłuż boków mieszka również zmniejszy się około dziesięciokrotnie, do 0,5 atmosfery. Jeśli w tym samym czasie powierzchnia harmonijki miechowej również zwiększy się dziesięciokrotnie (zwiększając liczbę sekcji mieszków), wówczas siła na suwaku i wytworzona moc pozostaną niezmienione przy stałym dopływie ciepła do cylindra. Pozwoli to po pierwsze na zastosowanie bardzo małych naturalnych spadków temperatury, a po drugie na drastyczne ograniczenie szkodliwego nagrzewania się płynu roboczego i odprowadzania ciepła do otoczenia, co pozwoli uzyskać wysoką sprawność. Chociaż istnieje chęć na haju. Szacunki pokazują, że moc silnika przy naturalnych spadkach temperatury może dochodzić do kilkudziesięciu kilowatów na metr kwadratowy przewodzącej ciepło powierzchni cylindra roboczego. W rozważanym cyklu nie występują wysokie temperatury i ciśnienia, co znacznie obniża koszt instalacji. Silnik pracując przy naturalnych zmianach temperatury nie emituje szkodliwych emisji do środowiska.

Na zakończenie autor chciałby powiedzieć, co następuje. Postulat „rekompensaty za zamianę ciepła w pracę” i nie dająca się pogodzić pozycja nosicieli tych złudzeń, daleko poza polemiczną przyzwoitością, związaną z twórczą myślą inżynierską, zrodziła ciasny węzeł problemów. Należy zauważyć, że inżynierowie od dawna wynaleźli mieszek i jest on szeroko stosowany w automatyce jako element mocy, który zamienia ciepło w pracę. Jednak obecna sytuacja w termodynamice nie pozwala na obiektywne teoretyczne i eksperymentalne badanie jej pracy.

Ujawnienie natury niedoskonałości technologicznych nowoczesnych silników cieplnych pokazało, że „kompensacja zamiany ciepła na pracę” w jej ustalonej interpretacji oraz problemy i negatywne konsekwencje, z jakimi boryka się z tego powodu współczesny świat, to nic innego jak rekompensata za niepełną wiedzę.