TRAKCJA SPALINOWA

SILNIKI SPALINOWE

CHARAKTERYSTYKA SILNIKÓW

  Działanie silnika spalinowego polega na zamianie energii cieplnej na energię mechaniczną. Podczas zamiany energii cieplnej w mechaniczną spalane paliwo wytwarza w cylindrach duże ciśnienie, które porusza tłokami silnika. Aby doszło do pożądanej reakcji należy do silnika dostarczyć odpowiednią ilość ciepła. Efektem tego będzie otrzymanie energii mechanicznej na wale silnika. Ilość otrzymanej energii mechanicznej jest zawsze mniejsza od ilości dostarczonej energii cieplnej. Powodem tego są straty występujące podczas przemiany energii cieplnej na mechaniczną. Straty można podzielić na cieplne i mechaniczne.
Do strat cieplnych zalicza się ciepło zawarte w spalinach uchodzące na zewnątrz podczas wydechu, przenikanie ciepła przez ścianki cylindra, które chłodzone jest czynnikiem chłodzącym (woda, powietrze), spalanie niezupełne i inne czynniki, które mogą występować w czasie pracy (często czynniki te są konsekwencją niewłaściwej naprawy i eksploatacji - np. zły rodzaj stosowanego paliwa).
Do strat mechanicznych należy tarcie pracującego układu tłokowo-korbowego, napęd urządzeń pomocniczych niezbędnych do pracy silnika (pompa paliwa, napęd chłodnicy).

  Efektem powyższych zjawisk jest niepełne wykorzystanie dostarczonej energii. Niektóre straty można zminimalizować przez stosowanie odpowiedniej jakości paliwa, smarów, regularne i poprawnie prowadzone konserwacje, jednak niemożliwe jest pełne wykorzystanie energii cieplnej.

  Praca rzeczywiście wykonana przez gazy podczas spalania nazywana jest pracą indykowaną. Indykator to przyrząd, który rejestruje przebieg zmian ciśnienia wewnątrz cylindra w czasie pracy tłoka. Gdyby dane z indykatora przedstawić na wykresie ciśnienia (P) w funkcji objętości cylindra (V) zmieniających się w zależności od położenia tłoka to wykres wyglądałby w ten sposób.


  Wskaźnikiem, który mówi jaka część dostarczonego ciepła została zamieniona na pracę indykowaną jest sprawność cieplna silnika h_c. Zwykle sprawność cieplna silnika wysokoprężnego waha się w granicach 0,40 - 0,45 (40-45%), przy czym górna granica dotyczy silników większej mocy.
Moc indykowaną jednego cylindra silnika można obliczyć znając średnie ciśnienie indykowane (z przekształconego wykresu indykatorowego), średnicę cylindra, skok tłoka, prędkość obrotową wału. Moc indykowana całego silnika będzie sumą mocy indykowanych wszystkich cylindrów silnika (każdy cylinder ma taką samą moc).
Moc na wale silnika nazywana jest mocą użyteczną (efektywną) i jest ona mniejsza od mocy indykowanej o straty mechaniczne (tarcie w układzie tłokowo-korbowym, napęd urządzeń pomocniczych silnika).
Stosunek mocy użytecznej P_u do mocy indykowanej P_i nazywany jest sprawnością mechaniczną silnika h_m i wynosi 0,80 - 0,84 (80-84% - silniki wysokoprężne), przy czym górna granica odnosi się do większych silników.


  Sprawność ogólna h silnika uwzględnia wszystkie straty cieplne i mechaniczne i określa jaka część energii dostarczonej do silnika została zamieniona na energię mechaniczną użyteczną. Ogólna sprawność silnika wysokoprężnego wynosi 0,32 – 0,38 (32-38%), gdzie górna granica dotyczy większych silników.


  Średnie ciśnienie użyteczne jest to takie stałe ciśnienie zastępcze panujące w cylindrze, które gdyby działało podczas całego suwu rozprężania dałoby ilość pracy użytecznej jaką wykonują gazy. W silnikach wysokoprężnych ciśnienie to wynosi od 0,6 MPa do 1,4 MPa w zależności od konstrukcji silnika.
  Jednostkowe zużycie paliwa jest to zużycie paliwa w gramach przypadające na jedną kilowatogodzinę. Wskaźnik ten waha się dość znacznie w zależności od obciążenia i mocy pojazdu i przykładowo może wynosić 100 g/kWh lub 250 g/kWh.

  Najważniejsze parametry pracy silników spalinowych tj. moc użyteczna P_u, moment obrotowy M_o i jednostkowe zużycie paliwa u_e przedstawia się w funkcji prędkości obrotowej n na charakterystykach. Charakterystyki pokazują zmienność tych parametrów przy zmianach prędkości obrotowej. Na poniższym rysunku przedstawiona jest przykładowa charakterystyka silnika spalinowego.


  Moc użyteczna silnika spalinowego (mierzona w kW, często jeszcze w KM) rośnie początkowo wraz ze wzrostem prędkości obrotowej. Wzrost ten jest jednak ograniczony i przy pewnej prędkości moc przestaje wzrastać, a następnie maleje. Wiąże się to z tym, że pogarszają się warunki spalania i napełniania powietrzem cylindrów.
Moment obrotowy (mierzony w Nm, dawniej w kgm) jest największy przy pewnej niższej prędkości. Początkowo on rośnie nieznacznie, następnie maleje. Wartość momentu jest największa przy prędkości niższej niż prędkość przy jakiej moc jest największa.
Jednostkowe zużycie paliwa (wyrażane w g/kWh, dawniej g/KMh), czyli zużycie paliwa przypadające na jedną kilowatogodzinę w zakresie mniejszych prędkości jest większe, następnie maleje i przy pewnej prędkości jest najmniejsze - wówczas silnik pracuje najekonomiczniej. Chęć dalszego zwiększenia prędkości wiąże się z większym zużyciem paliwa.

  W pojazdach spalinowych w Polsce stosowane są silniki spalinowe o mocy do kilku tysięcy kW. Moc silnika mierzy się w kilowatach kW dawniej się mierzyło w koniach mechanicznych KM, jednak jednostka ta jest nadal popularna. Przelicznikiem KM na kW i odwrotnie jest liczba ~ 1,36. Aby przeliczyć KM na kW należy liczbę x KM podzielić przez liczbę 1,36. Jeśli chcemy wykonać odwrotną operację, tzn zamienić kW na KM musimy pomnożyć liczbę x kW przez 1,36. Na przykład:
Moc silnika spalinowego stosowanego w lokomotywie ST44 (M62) wyrażana w KM wynosi 2000 KM. Jeśli chcemy tą moc wyrazić w kW musimy wykonać następującą operację:
2000 KM : 1,36 = 1470 kW (w zaokrągleniu); Jeśli chcemy wykonać odwrotną operację musimy:
1470 kW * 1,36 = 2000 KM (w zaokrągleniu)

PODZIAŁ SILNIKÓW | ZASADA DZIAŁANIA SILNIKÓW WYSOKOPRĘŻNYCH | ROZRUCH I REGULACJA PRĘDKOŚCI BUDOWA SILNIKA Z ZAPŁONEM SAMOCZYNNYM | EKSPLOATACJA SILNIKÓW | DANE TECHNICZNE SILNIKÓW

Poniżej znajdują się odnośniki do poszczególnych zagadnień związanych z trakcją spalinową:

SILNIKI SPALINOWE | OGÓLNE INFORMACJE | UKŁADY NAPĘDOWE