Od maszyn roboczych oraz pojazdów oczekujemy dobrych własności użytkowych. Własności te oceniamy przede wszystkim na podstawie uzyskiwanej z jednostki napędowej mocy, mając także na uwadze sprawność ogólną oraz trwałość silnika. Przeprowadzając rozważania teoretyczne dotyczące sposobów podnoszenia mocy silnika, należy przeanalizować charakterystyczne parametry pracy silnika, do których zaliczamy:

  • średnie ciśnienie indykowane pi i użyteczne pe,
  • moc indykowaną Ni i użyteczną (efektywną) Ne,
  • prędkość obrotową n,
  • moment obrotowy Mo,
  • sprawność silnika, na którą składają się ht (sprawność teoretyczna obiegu), hm (sprawność mechaniczna) oraz he (sprawność efektywna),
  • zużycie masowe paliwa Ge oraz jednostkowe ge,
  • wartość opałowa paliwa Wop.

Najistotniejsza dla użytkownika jest tutaj wielkość mocy efektywnej, mocy na sprzęgle (lub końcówce napędowej wału korbowego) przy ustalonej prędkości obrotowej silnika wyposażonego w kompletny układ dolotowy i wylotowy, mierzonej przy pełnym oprzyrządowaniu silnika, tzn. silnik napędza urządzenia pomocnicze takie jak wentylator, pompę wtryskową, pompę wody, alternator itp. Moc efektywną możemy opisać wzorem (2.1):

(2.1) gdzie:

  • Ne- moc użyteczna silnika,
  • Ge- masowe zużycie paliwa,
  • o- sprawność ogólna silnika,
  • Wop- wartość opałowa paliwa

Moc rozwijana przez silnik zależy głównie od:

  • ilości ciepła, które wywiązuje się w jednostce czasu w jego cylindrach,
  • sprawności zamiany ciepła na pracę mechaniczną.

Zależność (2.1) przedstawiona powyżej daje się rozwinąć do postaci (2.2):

(2.2) gdzie:

  • N e- moc użyteczna silnika,
  • ot- gęstość otoczenia,
  • v- współczynnik napełnienia,
  • m- sprawność mechaniczna,
  • c- sprawność cieplna,
  • V s- objętość cylindra silnika,
  • n - prędkość obrotowa silnika,
  • t - cykliczność pracy silnika
  • Wop- wartość opałowa paliwa
  • L t - praca turbiny,

- współczynnik nadmiaru powietrza,

Z równania (2.2) jednoznacznie wynika, że zwiększenie mocy silnika można uzyskać przez:

  • a) zwiększenie objętości skokowej silnika Vss = iVS,
  • b) zwiększenie prędkości obrotowej silnika n,
  • c) zwiększenie sprawności cieplnej c,
  • d) zmniejszenie wartości współczynnika nadmiaru powietrza ,
  • e) zwiększenie sprawności mechanicznej m,
  • f) zwiększenie współczynnika napełnienia v.

Zwiększenie objętości skokowej silnika Vss=iVS można dokonać przez zwiększenie liczby cylindrów "i" lub objętości skokowej cylindra Vs. Pociąga to za sobą zwiększenie wymiarów i masy silnika, a zarazem konieczność zmiany linii technologicznej i wzrost kosztu wykonania. Nie powoduje natomiast zwiększenia stopnia jego wysilenia, czyli nie osiągamy przez te zmiany poprawy masowego wskaĽnika mocy.

Zwiększenie prędkości obrotowej "n" silnika, powoduje wzrost stopnia jego wysilenia i stopnia wykorzystania materiału konstrukcyjnego. Związane jest ono także ze wzrostem sił bezwładności w mechanizmach korbowym i rozrządu. Zastosowanie tej metody wymaga zapewnienia prawidłowego przebiegu procesu spalania, co jest bardzo trudne do osiągnięcia szczególnie w silnikach z zapłonem samoczynnym ze względu na charakter procesu spalania. Ze zwiększeniem szybkości silnika następuje spadek sprawności napełnienia cylindrów v, czyli zmniejszenie wartości średniego ciśnienia użytecznego. W efekcie niweczy to sposób podnoszenia mocy przez zwiększenie częstotliwości obiegów pracy. Stosowanie w silniku wysokich obrotów celem uzyskania mocy jest powodem konieczności zmniejszania wartości stosunku S/D (skok tłoka / średnica cylindra) [10], przy granicznych wartościach prędkości średniej tłoka, co prowadzi do zmniejszenia sprawności cieplnej c oraz zwiększenia emisji związków toksycznych, na które w dzisiejszych realiach nie można sobie pozwolić. Zastosowanie wyższych obrotów pracy silnika powoduje także spadek sprawności mechanicznej m oraz zmniejszenie trwałości silnika.

Zwiększenie sprawności cieplnej c uzyskuje się w silnikach w pewnych granicach przez zwiększenie wartości stopnia sprężania e. Prowadzi to jednak do zwiększenia obciążeń mechanicznych i cieplnych silnika, a objawia się zmniejszeniem sprawności mechanicznej m i trwałości silnika. Dodatkowo w przypadku silników ZI podnoszenie wartości e ograniczone jest liczbą oktanową paliwa ze względu na ryzyko wystąpienia spalania stukowego mogącego doprowadzić do zniszczenia silnika.

Zmniejszenie wartości współczynnika nadmiaru powietrza jest możliwe do poziomu wyznaczonego przez granicę zapalności mieszanki w przypadku silników ZI. W przypadku silników ZS granicę tą wyznacza wielkość emisji związków toksycznych oraz sadzy. Wzrost mocy uzyskany tym sposobem musi wynikać ze wzrostu ilorazu c/, co jest niemożliwe przy małych wartościach , które prowadzą do zmniejszenia sprawności cieplnej c.

Zwiększenie sprawności mechanicznej hm możemy uzyskać przez zmniejszanie strat tarcia w silniku oraz przez zmniejszenie mocy pobieranej do napędu urządzeń pomocniczych. Podnoszenie mocy tym sposobem jest dokonywane przez stosowanie coraz to lepszych materiałów konstrukcyjnych oraz smarnych. Jednakże ten czynnik wpływa w niewielkim stopniu na zwiększenie mocy silnika.

Zwiększenie współczynnika napełnienia v można uzyskać przez zmniejszenie oporów przepływu w układzie dolotowym i poprawę warunków wymiany ładunku, czyli zmniejszenie masy reszty spalin. Istotą tej metody jest zwiększenie masy świeżego ładunku doprowadzonego do cylindrów silnika. Polepszenie napełnienia cylindrów możemy uzyskać przez optymalizację układów dolotowych oraz zwiększenie liczby zaworów w silnikach wolnossących. Stosuje się również doładowanie dynamiczne. Najczęściej podnoszenie współczynnika napełnienia odbywa się przez zastosowanie doładowania sprężarkowego. Zwiększenie gęstości świeżego ładunku zamkniętego w cylindrze prowadzi do zwiększenia sprawności cieplnej c i wyższego ciśnienia użytecznego e, zapewnia to znaczne zwiększenie mocy silnika bez poważniejszych zmian w jego konstrukcji. Definiując pojęcie doładowania można przyjąć, że doładowanie to wymuszone zwiększenie gęstości czynnika dostarczanego do cylindrów silnika przez jego wstępne sprężenie poza cylindrem lub w cylindrze, przed rozpoczęciem suwu sprężania. Uzyskana w ten sposób większa masa świeżego czynnika pozwala na doprowadzenie do obiegu większej masy paliwa i uzyskanie większej mocy silnika bez zmiany szybkobieżności lub wymiarów cylindra. W silnikach ZS paliwo zostaje doprowadzone bezpośrednio do komory spalania, natomiast w silnikach ZI do przewodu dolotowego za pośrednictwem gaĽnika lub układu wtrysku niskociśnieniowego (rys. 1).

Rys.1 Sposób zasilania paliwem:

1. cylinder silnika ZS (A-powietrze, G-olej napędowy)

2. cylinder silnika ZI (A-powietrze, E-benzyna, A+E mieszanka)

Doładowanie szczególnie bardzo korzystnie wpływa na przebieg spalania w silnikach ZS. Doprowadzone pod ciśnieniem do cylindra silnika powietrze, rozprężając się częściowo po otwarciu zaworu dolotowego, otrzymuje dodatkowy impuls zwiększający zawirowanie. Poza tym wyższa temperatura w końcu suwu sprężania oraz większa koncentracja cząstek tlenu zawartego w ładunku bardzo skutecznie skracają okres zwłoki zapłonu. Dzięki temu w drugiej fazie spalania, spala się stosunkowo mała część dawki paliwa, a tym samym spalanie przebiega spokojnie i praca silnika staje się mniej twarda. W większości silników z zapłonem samoczynnym stopień sprężania jest większy niż odpowiadający optymalnej sprawności ogólnej o. Możliwe po zastosowaniu doładowania zmniejszenie stopnia sprężania e poprawia sprawność ogólną o i wpływa korzystnie na zmniejszenie szczytowych ciśnień spalania. W silnikach ZI uzyskuje się jeszcze większe przyrosty mocy. Barierą jest tutaj jednak pojawiające się spalanie stukowe. Aby tego uniknąć stosuje się paliwa o większej liczbie oktanowej oraz sterowanie kątem zapłonu jak i stopniem doładowania.

Stosując doładowanie silnika znacznie poprawia się masowy wskaĽnik mocy (rys. 2).

Rys. 2 Zmniejszenie masy silnika przez zastosowanie turbodoładowania

- porównanie gabarytów.

Doładowanie silników gwarantuje wzrost osiągów, jak i zmniejszenie zanieczyszczeń i ilości substancji niespalonych w gazach wydechowych, co jest bardzo istotne ze względów ekologicznych. Poza tym silnik doładowany w stosunku do wolnossącego charakteryzuje się (rys. 3):

  • wyższym ciśnieniem efektywnym e,
  • poprawą przebiegu momentu obrotowego Mo,
  • wzrostem mocy,
  • zmniejszeniem spadków osiągów na wyższych wysokościach n.p.m.,
  • zmniejszeniem jednostkowego zużycia paliwa ge,
  • zmniejszeniem poziomu hałasu.
Stosunek masa moc dla silników ZS w samochodach ciężarowych
Przebieg momentu obrotowego Mo i jednostkowego zużycia paliwa ge
Przyrost mocy pe- moc efektywna
     
Wpływ wysokości n.p.m. na parametry silnika (Mo-moment obrotowy, pe- ciśnienie efektywne, ge-jednostkowe zużycie paliwa)
Zużycie paliwa
Hałaśliwość pracy

Rys. 3 Wykresy porównujące poszczególne parametry silników wolnossących i turbodoładowanych.

© Copyright 2005 TURBO s.c. Wszelkie prawa zastrzeżone.
Design & hosting: ID4 SC