21. Omówić wpływ czynników konstrukcyjnych i eksploatacyjnych silnika na proces napełniania cylindra.
Do parametrów konstrukcyjnych wpływających na proces napełniania cylindra należą: geometria kanałów dolotowych i wylotowych(np. zwiększając długość prostoliniowych odcinków przewodów dolotowych można uzyskać wydatne zwiększenie napełniania(doładowanie rezonansowe), ale jedynie pewnym zakresie prędkości obrotowych), geometria zaworów, charakterystyki geometryczne przewodów dol. i wyl.(długość, średnica, kształt), fazy rozrządu oraz prawa otwarcia zaworów. Duży wpływ ma także intensywność podgrzania przepływającego ładunku w przewodach dolotowych, stopień sprężania, rodzaj komory spalania, system chłodzenia silnika, pojemność skokowa cylindra, stosunek skoku tłoka do średnicy cylindra.
Charakterystyki wydatków otworów i kanałów: obliczeń tych dokonuje się wg. Jednowymiarowego, stacjonarnego przepływu, traktując go jako przepływ quasistacjonarny. Równanie Bernouliego ma postać: gdzie p*, q*- odpowiednio ciśnienie i gęstość zahamowanej strugi gazu.
rys.1.zalezność wydatku zaworu od względnego wzniosu zaworu
rys.2 wykr. efektywnego przekroju przelotowego zaw. dol.
rys.3 zależnośćod pr. obr
Współczynnik wydatku: ; m i mk- odpowiednio wydatek rzeczywisty i teoretyczny.
Dla prędkości nadkrytycznej prędkość wypływu jest równa prędkości dźwięku(nie zależy od różnicy ciśnień).
Czasoprzekrój- jest to całka z iloczynu zmiennego przekroju przelotowego zaworu przez czas jego otwarcia.
Efektywny przekrój przelotowy:- jest to iloczyn współczynnika wydatku przez minimalny przekrój przelotowy.
Maksymalną wartość napełnienia cylindra otrzymujemy jeśli każdy cylinder ma oddzielny przewód dolotowy o optymalnej średnicy i długości.
W silnikach doładowanych kąt współotwarcia zaworów jest znacznie większy niż w silnikach
wolnossących co zapewnia przepłukanie i chłodzenie tłoka, gładzi cylindra i zaworu.
Rys.4. Zależnośćod ciśnienia doładowania
22. Omówić cel i zadania spełniane przez proces sprężania w silniku spalinowym.
Celem tego procesu jest rozszerzenie zakresu temperatur cyklu roboczego silnika, zapewniającego warunki wystąpienia zapłonu i procesu spalania mieszanki palnej. W silnikach ZI proces ten powoduje również mieszanie się mieszanki palnej i poprawę jej jednorodności. Zwiększa to prędkość rozprzestrzeniania się płomienia i poprawia warunki wykorzystania tlenu zwartego w mieszance. W silnikach ZS proces sprężania powinien zapewniać: organizację turbulentnego ruchu powietrza odpowiedniego do kierunków strug wtryskiwanego paliwa oraz temperaturę końca sprężania dostateczną do wystąpienia samozapłonu. Wielkość wartości opóźnienia samozapłonu powinna zapewnić miękką pracę silnika. Ilość sprężonego czynnika roboczego składa się ze świeżego ładunku w [kmol] i resztek spalin w [kmol]. Po ustaleniu wartości wykładnika politropy n1 parametry czynnika roboczego końca procesu sprężania oblicza się z równania stanu: ;
.
23. Na czym polega proces tworzenia mieszanki palnej, rodzaje mieszanek palnych, scharakteryzować parametry strugi rozpylonego paliwa.
Proces tworzenia mieszanki palnej jest to wymieszania się reagentów zapewniając odpowiednią ilość kontaktów cząstek paliwa z tlenem, potrzebną do rozpoczęcia i rozwoju reakcji utleniania paliwa. Zupełność i całkowitość spalania oraz jego prędkość zależą od współczynnika nadmiaru powietrza, jednorodności mieszanki i jej prędkości oraz miejsca i czasu jej tworzenia w cylindrze. Jednorodna mieszanka palna- to mieszanka w której każdą cząstkę paliwa otacza jednakowa liczba cząstek tlenu, azotu i innych składników. Dwufazowa( heterogeniczna) mieszanka palna- to mieszaka, której składniki znajdują się w różnych stanach skupienia. Mieszanie się składników mieszanki zachodzi poprzez molekularną dyfuzję jednego gazu do drugiego poprzez umowną rozdzielającą je powierzchnię. W silnikach wewnętrznego spalania proces tworzenia się mieszanki palnej zachodzi w czasie 0,0005 – 0,06 sek. Jntensyfikację procesu uzyskuje się przez wzrost temp. składników, zwiększenie powierzchni mieszania się np. przez podział strugi na oddzielne strumienie, czy też przez organizację turbulentnej dyfuzji towarzyszącej przejściu jednego ośrodka do drugiego. Zewnętrzny sposób tworzenia mieszanki palnej stosuje się w silnikach gazowych. Nie stosuje się w nich podgrzewania gazu palnego gdyż obniża to stopień napełnienia cylindra i może prowadzić do spalania detonacyjnego. Tworzenie mieszanki palnej w tych silnikach jest utrudnione różnym stanem składników.
Parametry rozpylonego paliwa:
24. Omówić wielkości charakteryzujace jakość rozpylonego paliwa oraz przebieg ciśnienia podczas wtrysku.
Budowa strugi paliwa zmienia się w sposób ciągły w czasie wtrysku. W miarę przemieszczania się kropel ich trajektorie odchylają się od osi strugi, ich ruch powoduje podsysanie powietrza do strugi paliwa. W czasie tworzenia się strugi może nastąpić samozapłon, co powoduje lokalne wydzielenie ciepła i tworzenie się wysokotemperaturowych produktów spalania o lokalnie podwyższonym ciśnieniu. Powoduje to zmiany i rozkład strumienia paliwa, przyspieszone ogrzanie i odparowanie kropel. Jakość rozpylenia paliwa określa średniostatystyczny wymiar kropli. Rozróżniamy: 1) średnioobjętościową średnicę kropli:
2) średni arytmetyczny stosunek objętości kropel do ich powierzchni:
Jeśli po przerwaniu wtrysku paliwa, spadek ciśnienia następuje szybko to tworzenie się kropel o dużej średnicy zachodzi wolno, jeśli spadek ten zachodzi wolno, to ilość kropel o dużej średnicy wzrasta, co powoduje powstawanie dymu w spalinach. Przebieg procesu spalania zależy od jakości rozpylenia paliwa. Związek tych zjawisk wyjaśnia się wykorzystując charakterystyki rozpylenia z których największe zastosowanie ma tzw. Sumarycznej krzywej rozkładu objętości kropel , których średnica nie przekracza pewnej średnicy xi .przedstawia ona stosunek objętości kropel o średnicy 0<x<xi do objętości wszystkich kropel i obszarem równania Rosina-Rammlera: gdzie:xo- stała określająca wymiarową charakterystykę rozkładu wymiaru kropel x=xo przy której ,
n-stała określająca charakterystykę równomierności rozkładu.
Rys. krzywe sum obj. kropel o średnicy x<xi w stosunku do całkowitej objętości kropel wtryśniętego paliwa: 1-przy n=n1;n=n2; gdzie n1>n2. -im krzywa położona jest bliżej krzywej odciętych tym rozpylenie jest drobniejsze,
- im krzywa jest bardziej stroma tym rozpylenie jest bardziej jednorodne( podstawowa masa paliwa znajduje się w mniejszym zakresie średnic kropel. Dla współczesnych silników ZS, charakterystyczne parametry rozpylenia to: xmax
Rys.Zależność ciśnienia wtrysku paliwa pw od kąta obrotu wału korbowego: rys. 1. Wtrysk zapalającej dawki przy dwufazowym wtrysku, 2 i 4 – wtrysk przy stale wzrastającym ciśnieniu, 3- wtrysk przy stałym ciśnieniu, 5- wtrysk stopniowy, 6- ostatni odcinek wtrysku(zakończenie procesu wtrysku).
25. Rodzaje komór spalania w silnikach ZS i ZI.
Komory zwarte (o bezpośrednim wtrysku)- możemy je podzielić na: toroidalne, otwarte o kształcie (połówki kuli, elipsoidy obrotowej, ściętego stożka), półotwarte. Ich wspólną cechą jest takie ukształtowanie aby czynnik ulegał silnemu zawirowaniu. Do ich zalet możemy zaliczyć: dobre własności rozruchowe, ze względu na małe straty ciepła sprężanego powietrza. Dużą sprawność cieplną, a tym samym oszczędne zużycie paliwa. Wadą- szybki wzrost twardości biegu ze zwiększeniem prędkości obrotowej silnika.
Komory dzielone- dzielimy na: komory wstępne, wirowe(stosowane w silnikach szybkoobrotowych), zasobnikowe. Komory te dwóch wnęk tj. wnęki nadtłokowej i wnęki oddzielnej połączonej z komorą nadtłokową jednym lub kilkoma kanałmi o niewielkim przekroju.
Wadą tych komór jest wysoka ich temperatura z powodu mniej intensywnego chłodzenia. Silniki z tymi komorami dobrze pracują na różnych gatunkach paliwa przy mniejszych wartościach i mniejszych ciśnieniach wtrysku. Są mniej czułe na zmianę warunków pracy silnika. Komory wirowe usytuowane są w głowicy i połączone ze sobą z komorą nadtłokową jednym lub kilkoma kanałami co zapewnia zorganizowany wir w komorze spalania dzięki czemu możliwa jest praca przy małym =1,15-1,4. Prędkość przepływu w kanale dochodzi do 200 m/s, zaś stopień zawirowania H=20-40. Stosuje się je w silnikach o DC<150 mm. Do ich wad należą: znaczne zużycie paliwa i znacznymi stratami ciepła, koniecznością stosowania dużych stopni sprężania
Komory półdzielone: powstały w wyniku dążenia do poprawy procesu tworzenia mieszanki palnej i spalania. Ich charakterystyczną cechą jest przyścienny sposób tworzenia mieszanki palnej co powoduje, że 90-95 % wtryskiwanego paliwa pod niewielkim kątem na ścianki komory spalania ulega rozpływowi. Wokół nagrzanej ścianki odbywa się zorganizowany ruch czynnika roboczego zapewniający intensywne odparowanie par paliwa z warstw przyściennej. Samozapłon następuje w wyniku odparowania par paliwa ze strugi paliwa, gdzie temp. ładunku jest wyższa od temperatury ścianki. Przy tym sposobie tworzenia mieszanki palnej spalanie przebiega w prawidłowy sposób przy =ok. 1,3 w dość szerokim zakresie obciążeń i prędkości. Wadą tego procesu tworzenia mieszanki jest złożoność doskonalenia procesu roboczego, słabe zdolności rozruchowe, duża toksyczność i zadymienie spalin przy małych obciążeniach.
W silnikach ZI: w silnikach tych stosuje się takie komory jak: komora wanienkowa- jest to najprostsza komora całkowicie mieszcząca się w głowicy silnika, może posiadać następujące kształty( owalna, eliptyczna, trójkątna, sercowa). Komora klinowa- prosta, w cylindrze, o skośnym podziale kadłuba. Komora półkulista- klasyczna, szczątkowa. Komory te posiadają kształt najbliższy ideałowi. Umożliwiają pomieszczenie stosunkowo dużych zaworów, umieszczenie świecy w środku komory, korzystny stosunek powierzchni ścian komory do jej objętości co pozwala na uzyskanie dużych wartości, w stosunku do innych komór, średniego ciśnienia indykowanego i sprawności cieplnej. Komora w dnie tłoka – podobnie jak komory półkuliste posiadają zwarty kształt jednak nie pozwalają na zastosowanie dużych zaworów jak w komorach półkulistych.
26. Omówić stopień zawirowania czynnika roboczego w cylindrze oraz podstawowe kształty półdzielonych komór spalania.
Intensywność zawirowania wyznaczamy za pomocą wzoru:; gdzie n1- prędkość obrotowa wiru; n- prędkość obr. wału korbowego.Zawirowanie ładunku w zwartych komorach spalania: oznaczamy: okres trwania wtrysku paliwa; z- ilość strug paliwa. Kąt między strugami paliwa y jest: y=360/z; czas trwania wtrysku jest: ; gdzie n- predkość obr. wału korbowego; w tym czasie wir powinien obrócić się o kąt y, to znaczy:;
dla silników czterosuwowych H=8 – 18.
Komory półdzielone- pyt.25..
27. Omówić proces utleniania, powstawania zarodków reakcji spalania oraz temperaturę i rodzaje zapłonu w tłokowych silnikach spalinowych.
Proces utleniania- to proces przemieszczania elektronów z orbit atomów lub jonów utlenianego ośrodka na orbity atomów lub jonów utleniacza. Przemieszczanie tych elektronów wymaga doprowadzenia energii. Siemienow wskazał na możliwość zachodzenia reakcji łańcuchowych podczas utleniania węglowodorów. Rozwinięcie tej teorii stało się podstawą do wyjaśnienia procesów samozapłonu i spalania paliwa. Zgodnie z tą teorią utlenianie przebiega przez kolejne pośrednie reakcje tworzenia produktów przejściowych, powstających przy przejściu reagującego układu od strony początkowego(wyjściowego) do stanu końcowego. Produktami przejściowymi są: OH, H2, O2, radykały swobodne OH, CH, CH2.
Powstawanie zarodków reakcji spalania- zarodki reakcji spalania są to najbardziej aktywne chemicznie radykały. W zależności od warunków panujących w strefie reakcji, reakcje łańcuchowe mogą przebiegać w sposób nierozgałęziony lub rozgałęziony.
Temperatura samozapłonu: jest to temperatura suma ilości ciepła odprowadzonego od ładunku do ścianek i ilość ciepła zużytego na odprowadzenie paliwa jest równa ilości wydzielonego się ciepła. Po osiągnięciu tej temperatury następuje spalanie, a więc szybki wzrost temperatury i ciśnienia.
Rys. wykres przebiegu ciśnienia i temperatury.
kąt opóźnienia samozapłonu (grad).
Możemy wyróżnić dwie hipotezy wystąpienia samozapłonu a)- niskotemperaturowy, wielostadyjny samozapłon: w komorze spalania zachodzą przedpłomienne utleniające procesy tworzenia się przejściowych produktów reakcji. Wydzielające się ciepło jest za małe aby nastąpiło szybkie przyspieszenie reakcji utleniania i reakcja ma tu wielostadyjny charakter. W czasie tego procesu w komorze powstają tzw. ,,zimne” płomienie o barwie błękitnej. Temperatura wynosi tu 440-670 K i jest praktycznie stała jest to okres rys. W drugim okresie pojawia się intensywne świecenie, gromadzi się więcej radykałów tak, że w końcu tego procesu rozpoczyna się proces spalania. Wzrost temperatury powoduje zmniejszenie się okresu oraz zwiększenie okresu . Zwiększanie kąta wyprzedzenia wtrysku spowoduje zwiększenie okresu opóźnienia samozapłonu. Intensyfikacja turbulentności ładunku powoduje również zwiększenie na skutek obniżenia temperatury i koncentracji par paliwa.
b)-samozapłon wysokotemperaturowy jednostadyjny (krzywa 2): następuje przy T=800-1200 K i ma charakter ciągły samoprzyspieszających się chemicznych reakcji łańcuchowych. Przy T>10000 K tworzy się niewielkiej objętości ognisko spalania w, którym procesy nagrzewania, rozpadu i jonizacji molekuł paliwa i utleniacza przebiegają bardzo szybko(przez stan plazmy) w czasie (1-2)10-5s. Zjawisko to jest możliwe w jednorodnej homogenicznej mieszaninie. Na wykresie indykatorowym występuje wówczas oderwanie linii ciśnienia od linii procesu sprężania otrzymaną przy braku zapłonu. Okres opóźnienia samozapłonu zależy od rodzaju paliwa, składu mieszanki, temperatury i ciśnienia mieszaniny w końcu procesu sprężania oraz mocy ewentualnego wyładowania elektrycznego. Im niższa temp. samozapłonu, tym krótszy okres opóźnienia samozapłonu. Wzbogacenie mieszaki palnej do...
madziula0001