PRACA DYPLOMOWA INŻYNIERSKA Temat: Projekt programu, obliczenie przebiegu zmian sił P,N,T,K w układzie korbowym dla założonego wykresu obiegu porównawczego silnika o zapłonie iskrowym

Problemy związane z projektowaniem silników o zapłonie iskrowym, oraz zagadnienia związane z przebiegiem sił w układzie korbowym są bardzo trudnymi zagadnieniami wymagającymi od informatyka bardzo dużej pracy umysłowej, wiedzy i umiejętności rozwiązywania problemów. Przy pisaniu programu, który oblicza przebieg takich zmian sił niezbędna jest chociaż minimalna wiedza na ten temat. Celem tej prezentacji jest przybliżenie niektórych pojęć, które mają związek z moim tematem pracy inżynierskiej.

PODZIAŁ SILNIKÓW – SPOSÓB ZAPONU Jednym z zasadniczych kryteriów klasyfikacji silników spalinowych jest sposób zapłonu mieszanki. Na podstawie tego kryterium można podzielić silniki na silniki: * o zapłonie iskrowym (ZI) * o zapłonie samoczynnym (ZS). Silnik o zapłonie iskrowym ma cylinder napełniany mieszanką, która jest na początku sprzężone przez tłok i zapalana iskrą elektryczną. Silnik o zapłonie samoczynnym cylinder zazwyczaj jest napełniany czystym powietrzem. Powietrze to zostaje sprzężone przez tłok, ale silniej niż w silniku o zapłonie iskrowym. Do mocno rozgrzanego powietrza w cylindrze (w wyniku sprężania) zostaje wtryśnięte paliwo, które ulega samozapaleniu.

PODZIAŁ SILNIKÓW – LICZBA SUWÓW Innymi istotnym podziałem silników spalinowych jest liczba wykonywanych przez tłok suwów w pojedynczym cyklu pracy. Stosując taki podział dzielimy silniki spalinowe na: 1. dwusuwowe 2. czterosuwowe

  1. W silniku dwusuwowym o zapłonie iskrowym obieg pracy odbywa się podczas dwóch suwów tłoka gdy wał korbowy wykonuje jeden pełny obrót. Silniki te wykonują suw sprężenia i suw pracy. Napełnienie cylindra i wylot spalin odbywa się prawie jednocześnie. Gdy tłok znajduje się w pobliżu dolnego martwego punktu (DMP) mamy do czynienia z początkiem suwu sprężania i jednocześnie z końcem suwu pracy. Sprężony czynnik jest wprowadzany do cylindra przez kanał i szczelinę dolotową zazwyczaj regulowaną przez sam tłok, który odsłania lub zasłania odpowiednie otwory w ściankach cylindra. Ponieważ w silniku dwusuwowym nie ma suwu dolotu świeży ładunek przeznaczony do napełnienia cylindra musi być uprzednio sprężony poza cylindrem roboczym. To wstępne sprężanie odbywa się w specjalnie przystosowanej do tego celu dmuchawie lub sprężarce, przez wykorzystanie przestrzeni podtłokowej lub skrzyni korbowej.

Zasada działania silnika dwusuwowego

·   Suw sprężania  Podczas tego suwu następuje wzrost ciśnienia ładunku zgromadzonego w cylindrze. Proces ten odbywa się w warunkach ciągłej wymiany ciepła między ładunkiem a ściankami cylindra, głowicą i denkiem tłoka. Ta wymiana ciepła odbywa się ze zmienną intensywnością, a nawet ze zmiennym kierunkiem przepływu ciepła. Na początku suwu ładunek pobiera ciepło od denka tłoka i ścianek cylindra, przy końcu zaś następuje oddawanie ciepła przez ładunek do ścianek przestrzeni roboczej. Na początku suwu sprężania trwa jeszcze proces przepłukiwania cylindra, czyli wymiany ładunku.   Suw pracy   Proces rozprężenia rozpoczyna się po zakończeniu spalania mieszanki. Wysokie ciśnienie gazów spalinowych znajdujących się w cylindrze silnika sprawia, że wywierają one znaczną siłę na tłok. Pod wpływem tej siły tłok przesuwa się ku DMP. Rozprężające się spaliny wykonują pracę. Stąd suw rozprężenia nazywa się suwem pracy. Podobnie jak podczas sprężania tak i tu występuje ciągła wymiana ciepła między gazami a czynnikiem chłodzącym za pośrednictwem ścianek cylindra i głowicy. Pod koniec suwu rozpoczyna się proces przepłukiwania.

2. W silniku czterosuwowym cykl pracy zamyka się w czterech suwach tłoka, czyli wymaga czterokrotnego przebycia przez tłok drogi między GMP a DMP.  ·     Suw dolotu   Suw dolotu (napełnienienia) to suw, w którym tłok przesuwa się z GMP do DMP, przy czym zawór dolotowy jest otwarty. Gdy tłok zbliża się do DMP zasysając mieszankę palną tworzy różnicę ciśnień. W czasie tego suwu zawór wylotowy pozostaje zamknięty.   ·     Suw sprężania   W suwie sprężania tłok po minięciu DMP rozpoczyna poruszanie się w stronę GMP, przy czym oba zawory są zamknięte tzn. dolotowy i wylotowy. Gdy tłok przesuwa się ku GMP spręża wypełnioną w cylindrze mieszankę, która w końcowym momencie sprężania zajmuje tylko objętość komory spalania. W tym czasie następuje zapłon mieszaniny palnej od iskry elektrycznej.    

·     Suw pracy   Tuż po wybuchu mieszanki następuje suw rozprężania nazywany też suwem pracy, w którym tłok przemierza drogę z GMP do DMP. Odbywa się to przy zamkniętych zaworach. Mieszanka ulega gwałtownemu spalaniu. Wytworzona w procesie spalania znaczna ilość ciepła powoduje wzrost temperatury gazów spalinowych a tym samym bardzo szybki kilkakrotny wzrost ciśnienia w cylindrze. Dążące do rozprężenia gazy pchają tłok w DMP powodując suw pracy a objętość spalin nad tłokiem ulega zwiększeniu doprowadzając do obniżenia ciśnienia i temperatury.   ·     Suw wylotu   Po wykonaniu pracy tłok rozpoczyna następny etap tzn. suw wylotu przechodząc w kierunku GMP. Zawór wylotowy jest wówczas otwarty. Spaliny, które znajdują się w cylindrze zostają wypychane na zewnątrz. Proces ten trwa aż do momentu zamknięcia zaworu wylotowego. Z chwilą, gdy tłok osiągnie znowu GMP zawór wylotowy zostanie zamknięty a zawór dolotowy otwarty co rozpoczyna następny cykl pracy silnika.

Zasada działania silnika czterosuwowego

OBIEG PORÓWNAWCZY Obiegi teoretyczne i porównawcze są obiegami, których poszczególne przemiany są obliczane. Obiegi te mają inne założenia które przyjmowane są do obliczeń. Obieg porównawczy jest realizowany przy założeniach z większą dowolnością niż w obiegu teoretycznym. Zależy on od dokładności, z jaką obieg porównawczy ma się zbliżyć do obiegu rzeczywistego. Przyjmowane są założenia:  

  ·     Zastosować można gaz półdoskonały, gaz rzeczywisty, mieszankę paliwowo-powietrzną, mieszaninę: paliwa, powietrza i spalin.   ·     Masa czynnika biorąca udział w obiegu jest stała, jednak straty spowodowane przez nieszczelność mogą zostać uwzględnione   ·     Sprężanie i rozprężanie przebiega politropowo jednak można przyjąć, że wykładnik przemiany może być stały dla poszczególnych części sprężania i rozprężania. W miarę wzrostu temperatur w czasie przemian ciepło właściwe gazów jest zmienne.   ·     Uwzględnić można też straty, podczas spalenia niezupełnego, oraz pochłonięcie przez ścianki cylindra dużej ilości ciepła a także pobranie ciepła przez tłok i głowice.   ·     Tłok nie pracuje podczas suwu napełnienia i wylotu, które zwykle występuje przy średnim stałym ciśnieniu.   ·  Bierze się pod uwagę niecałkowite napełnienie cylindra wyrażane przez tzw. współczynnik napełnienia

MECHANIZM KORBOWY Zadaniem mechanizmu korbowego silnika jest zmiana postępowo zwrotnego ruchu tłoka na ruch obrotowy wału korbowego. Tłok jest sprężony z wałem korbowym za pomocą korbowodu, który w czasie pracy silnika powoduje ruch złożony. Ruch tłoka nadaje korbowodowi ruch postępowy, natomiast obracanie się korby wału korbowego wprawia korbowód w ruch wahadłowy w wokół sworznia tłokowego łączącego korbowód z tłokiem.

Przedstawione powyżej zagadnienia są jedne z wielu z jakimi się zapoznałem pisząc prace inżynierską. Pojęcia jak suw, mechanizm korbowy i wiele innych pozwoliły mi poznać świat silników od całkiem innej strony niż mam z nim do czynienia. Ta prezentacja przedstawia pokrótce główne zagadnienia związane z moim tematem.

Promotor: prof. zw. dr hab. inż. Jan A. Wajand Dyplomant: Jacek Daniluk

Dziękuję za uwagę.