Średni wykładnik

W znamionowych warunkach pracy średni wykładnik politropy sprężania zmienia się zwykle w granicach 1,3 + 1,4 – zależnie od podanych poprzednio czynników. Podczas rozruchu zimnego silnika wykładnik nt wynosi 1,2+1,25. Średni wykładnik politropy sprężania może być określony na podstawie znajomości ciśnienia na początku i na końcu sprężania według wzoru pewnego. Stopień sprężania s. Nominalnym stopniem sprężania lub krótko stopniem sprężania nazywamy stosunek całkowitej objętości cylindra V do objętości komory sprężania V0. W silnikach dwusuwowych często stosuje się pojęcie rzeczywistego stopnia sprężania st, wyrażającego się stosunkiem objętości cylindra w chwili zamknięcia okien podczas suwu sprężania do objętości komory sprężania. W silnikach z zapłonem iskrowym stopnie sprężania mają zasadniczy wpływ na ich wskaźniki pracy. W celu uzyskania jak najmniejszego zużycia paliwa i możliwie dużej mocy należy dążyć do stosowania dużych stopni sprężania. Zjawisko spalania stukowego i względy wytrzymałościowe narzucają tu jednak ograniczenia.

Dobór stopnia sprężania

Dobór stopnia sprężania w silniku z zapłonem iskrowym zależy od liczby oktanowej przewidywanego paliwa oraz konstrukcji komory spalania, materiałów głowicy i tłoka, wymiarów cylindra i przeznaczenia silnika. Orientacyjnie można przyjąć następującą zależność między liczbą oktanową a stopniem sprężania silnika gaźnikowego bez doładowania. Zależnie od przeznaczenia silnika gaźnikowego stosuje się zwykle następujące stopnie sprężania: – silniki europejskich samochodów osobowych – s = 6,5 + 8,5 – silniki amerykańskich samochodów osobowych – s = 8,0+10,5; – silniki samochodów sportowych i wyścigowych s = 8,0+12,0; – silniki motocykli użytkowych – s = 5,5+7,5; – silniki samochodów ciężarowych i autobusów – s = 6,0 -f 7,5; – silniki ciągników – s = 6,0-ł- 7,5. Duże stopnie sprężania w amerykańskich samochodach tłumaczy się użyciem paliwa o dużej liczbie oktanowej i stosowaniem w silnikach widlastych bardzo korzystnych, klinowych komór spalania. Wyścigowe silniki samochodowe i motocyklowe zasilane są specjalnymi paliwami o szczególnie dużych liczbach oktanowych.

Przebieg sprężania

Rzeczywisty przebieg krzywej sprężania znacznie odbiega od założonej w obiegu porównawczym adiabaty”. Przyczyną tego jest wymiana ciepła między czynnikiem a ściankami cylindra – o zmiennej intensywności, a nawet o zmiennym znaku (na początku sprężania – podgrzewanie czynnika od ścianek, na końcu – podgrzewanie ścianek od sprężonego czynnika). Poza tym przebieg sprężania zakłóca: zmniejszanie się chłodzonej powierzchni cylindra w miarę zbliżania się tłoka do GMP, uchodzenie gazów przez pierścienie do skrzyni korbowej oraz parowanie ciekłego paliwa doprowadzonego w czasie suwu dolotu (silniki gaźnikowe) lub wtryśniętego pod koniec sprężania (silniki wtryskowe). Sprężanie charakteryzuje więc krzywa o ustawicznie zmiennym wykładniku. W celu uproszczenia obliczeń cieplnych sprężanie traktuje się jako przemianę politropową o stałym wykładniku średnim. Średni wykładnik powinien być tak dobrany, aby obliczone parametry końca sprężania były takie same, jak w przypadku uwzględniania zmienności wykładnika rzeczywistego.

Średni wykładnik politropy sprężania

Wielkość średniego wykładnika politropy sprężania zależy przede wszystkim od intensywności chłodzenia i wymiarów cylindra oraz od prędkości obrotowej silnika. Wzrost intensywności chłodzenia (np. przez spotęgowanie cyrkulacji wody chłodzącej, zastosowanie tłoków ze stopów lekkich, zastosowanie chłodzenia denka tłoka) powoduje zmniejszenie . Wartości Ťt dla silników chłodzonych wodą są mniejsze niż dla silników chłodzonych powietrzem. W silnikach o zwiększonych wymiarach cylindrów wykładnik Ťx jest zwykle nieco większy, ponieważ względna powierzchnia chłodzenia F, przypadająca na jednostkę objętości cylindra V, zmienia się odwrotnie proporcjonalnie do średnicy cylindra D. Wzrost prędkości obrotowej silnika skraca czas trwania procesu sprężania, a tym samym zmniejsza odprowadzenie ciepła od czynnika i jego ucieczkę do skrzyni korbowej. Z tych względów zwiększenie prędkości obrotowej silnika powoduje wzrost wykładnika nx. Wielkość ną wzrasta również i w miarę zwiększania obciążenia w wyniku podwyższania się średniej temperatury ścianek.

Współotwarcie

Ze wzrostem prędkości obrotowej czas odpowiadający otwarciu zaworów maleje. Dlatego kąty wyprzedzenia otwarcia i opóźnienia zamknięcia zaworów muszą być w silnikach szybkoobrotowych odpowiednio większe niż w silnikach wolnoobrotowych. Zwiększenie kąta pokrycia (współotwarcia) zaworów, tj. kąta obrotu wału korbowego odpowiadającego okresowi, w którym zawory dolotowe i wylotowe jednego cylindra są jednocześnie otwarte, polepsza oczyszczenie przestrzeni spalania z reszty spalin w wyniku lepszego jej przepłukania świeżym ładunkiem. Stosowanie znacznego pokrycia zaworów możliwe jest tylko w silnikach o wewnętrznym tworzeniu mieszanki (silniki z zapłonem samoczynnym i wtryskowe silniki z zapłonem iskrowym), bowiem w razie zewnętrznego tworzenia mieszanki wystąpiłaby niedopuszczalna strata paliwa. Kąt pokrycia zaworów w silnikach bez doładowania wynosi zwykle 40-7-60° w zależności od ich prędkości obrotowej, a w silnikach z doładowaniem 80 + 140° (należy jednak pamiętać, że ów kąt może wynosić więcej lub mniej =, nie musi się zamknąć w tych granicach).

Kąt pokrycia zaworów

Ustawienie rozrządu i kąt pokrycia zaworów można dobrać należycie tylko na podstawie badań prototypu. Wpływ prędkości obrotowej kilku silników samochodowych na współczynniki napełnienia ich cylindrów pokazano na rysunku 4-8 w książce “Tłokowe silniki spalinowe”. Spadek ze wzrastaniem prędkości obrotowej tłumaczy się zwiększaniem się strat przepływu. Natomiast występujący często spadek yj0 wskutek przechodzenia do małych prędkości obrotowych jest wynikiem zbyt małych prędkości przepływu, przy których nie występuje dodatnie działanie zjawisk dynamicznych w układzie dolotowo-wylotowym. Wpływ obciążenia silnika jest różny i zależy od sposobu regulacji urządzeń zasilania paliwem. W silniku z zapłonem iskrowym ze zmniejszeniem obciążenia (w wyniku przymknięcia przepustnicy w gaźniku) opór układu dolotowego wzrasta.. W silnikach z zapłonem samoczynnym wpływ ten jest znacznie słabszy, ponieważ pomimo zmienności obciążenia opory układu dolotowego prawie się nie zmieniają; jedynie silniejsze podgrzewanie zasysanego powietrza powoduje pewien spadek współczynnika napełnienia.