Logowanie

Zdjęcie dnia

  • Jacek Grześkowiak

    Jacek Grześkowiak

Newsletter

Cotygodniowa porcja informacji lotniczych

JOOMEXT_TERMS

Pogoda

 


Dołącz do nas !

FB TW google-plus-ikona-2012 YT 

 


Od strony konstrukcyjnej, Lotniczy Spalinowy Silnik Tłokowy charakteryzują następujące najważniejsze wielkości:

  1. Zewnętrzny Zwrotny Punkt (ZZP) tłoka, określany również jako Górny Zwrotny Punkt (GZP) – jest to najwyższe położenie tłoka w czasie jego suwu

  2. Wewnętrzny Zwrotny Punkt (WZP) tłoka, określany również jako Dolny Zwrotny Punkt (DZP) – jest to najniższe położenie tłoka w czasie jego suwu

  3. Pojemność Skokowa – jest to objętość o jaką zmienia się pojemność cylindra przez przemieszczaniu tłoka pomiędzy ZZP i WZP.

  4. Pojemność Skokowa Silnika – jest to suma pojemności skokowej wszystkich jego cylindrów

  5. Pojemność komory spalania – jest to pojemność pomiędzy górną powierzchnią tłoka w jego ZZP a ścianami cylindra

  6. Pojemność całkowita – jest to suma pojemności skokowej i pojemności komory spalania

  7. Pojemność całkowita silnika – jest suma pojemności całkowitej wszystkich jego cylindrów

 

 

Zdjcie_16

Zdjęcie 16. Przekrój ideowy silnika czterosuwowego z zapłonem iskrowym.

 

Ze względu na osiągi silnika wyróżniamy następujące główne parametry:

 

  1. Moc silnika – określana jest w kilowatach (kW) lub koniach mechanicznych (KM), przy czym:

1 kW = 1,36 KM.

 

Moc użyteczna silnika Ne(czyli moc przekazywana na śmigło) jest to różnica mocy indykowanej Ni (moc jaką silnik rozwija wewnątrz cylindrów) i mocy oporów mechanicznych Nm (jest to moc zużywana na pokonanie oporów tarcia w silniku, na wykonanie procesów ssania i wylotu oraz napęd agregatów silnikowych, w tym układu doładowania i płatowcowych). We współczesnych lotniczych silnikach tłokowych moc oporów mechanicznych zmniejsza moc indykowaną ( a tym samym moc użyteczną ) o ok. 15 do 20%. Ogólnie można powiedzieć, że moc silnika wzrasta wraz ze:

- wzrostem objętości skokowej

- prędkości obrotowej

- wzrostem liczby cylindrów

- temperatury silnika (do granicy temperatury nominalnej)

- stopnia sprężania

 

Moc użyteczna (Ne) = Moc indykowana (Ni) – Moc oporów mechanicznych (Nm)

 

Moc użyteczną (zwana też efektywną) mierzy się na wale korbowym lub na wale reduktora śmigła.

W zakresie mocy użytecznej (efektywnej) wydzielamy:

- Moc maksymalną Nmax – to moc, jaką rozwija silnik przy całkowicie otwartej przepustnicy. Może ją osiągać tylko przez krótki czas, określony przez producenta. Przy pełnym otwarciu przepustnicy silnik pracuje w zasadzie tylko podczas startu samolotu.

- Moc nominalną Nnom – moc, z jaką silnik może pracować na ziemi bez szkody dla swojej konstrukcji.

- Moc eksploatacyjna Nekspl – jest to moc, jaką silnik może rozwijać przez nieograniczony i stanowi ok. 0,9 wartości mocy nominalnej

- Moc przelotową Nprzel - inaczej zwana mocą podróżną. To moc silnika, która pozwala samolotowi osiągnąć i utrzymać jako stałą prędkość przelotową na dłuższym dystansie przy najwyższej ekonomiczności opracy. Wynosi ona ok. 0,7 wartości mocy nominalnej.

 

  1. Moment obrotowy silnika (Mo) – jest miernikiem zdolności silnika do pokonania oporów przeciwdziałających obracaniu się jego wału przy danej prędkości obrotowej. Jest on iloczynem wartości siły pochodzącej od ciśnienia gazów działających na tłok oraz długości wykorbienia wału korbowego. Jak wiadomo wykorbienie dla silnika o danej pojemności skokowej ma wartość stałą, więc wartość liczbowa momentu obrotowego jest zależna od wielkości siły działającej na tłok. Jednostką miary niutonometr (Nm). Moment obrotowy osiąga maximum przy prędkości obrotowej równej około 0,5 – 0,6 wartości znamionowej prędkości obrotowej silnika. W zależności od rozwijanej przez silnik mocy oraz prędkości, wyróżniamy moment obrotowy:

- Znamionowy (Moz) – rozwijany przez silnik przy mocy znamionowej prędkości obrotowej

- Maksymalny (Momax) – największy, jaki jest silnik w stanie rozwinąć. Moment ten jest zawsze większy od momentu obrotowego rozwijanego przez silnik przy mocy znamionowej, czyli od Moz.

 

  1. Prędkość obrotowa silnika – oznacza symbolem n i określana liczbą radianów obrotu wału korbowego na sekundę (rad/s). Jednak w potocznym użyciu jest użyciu jest wkreślanie tej wielkości w ilościach obrotów wału korbowego na minutę (obr/min), przy czym:

1 rad/s = 377 obr/min

 

Moc silnika wzrasta wraz ze wzrostem prędkości obrotowej, ponieważ przy wyższych obrotach rośne ilość cykli pracy, wykonywanych przez silnik w jednostce czasu. Jednak prędkość obrotowa nie może rosnąc w nieskończoność. Jest ona ograniczona z jednej strony wytrzymałością materiałów, z których zbudowany jest silnik (wraz z jej wzrostem rosną siły bezwładnościowe i opory wewnętrzne, co znacznie skraca żywotność silnika) a drugiej zjawiskami termodynamicznymi. Ponieważ im większa prędkość obrotowa, tym krótszy czas napełniana cylindrów mieszanką i ich opróżnianiu po cyklu pracy. W końcu czas na ten proces staje się tak krótki, że cylindry po prostu nie zdążą się ani napełnić, ani opróżnić. Prędkość obrotowa współczesnych LSST zawiera się w granicach 2300…3500 obr/min (6,1…9,3 rad/s). Wyróżniamy prędkości obrotowe:

Maksymalną (Nmax)– jest to najwyższa dopuszczalna prędkość obrotowa, przy której silnik może pracować w czasie nie dłuższym, niż 5 minut bez przerwy. Przy tej prędkości moc użyteczna spada do zera, a to z tego powodu, że gwałtownie rosną opory hydrauliczne przepływu mieszanki (czyli cylindry napełniają się w bardzo małym stopniu) oraz inne opory mechaniczne. Czyli silnik całą wytwarzana przez siebie moc zużywa na pokonanie oporów wewnętrznych tarcia.

  • Nominalną (Nnom)– jest taka prędkość obrotowa silnika przy której pracuje on najefektywniej,
  • Dopuszczalną (Ndop) – największa dozwolona przez producenta
  • Moc maksymalną (Nn) – nie mylić z Nmax. Nn jest to bowiem moc maksymalna silnika przy określonej regulacji. Nn może się równać Nmax, ale nie musi.
  • Prędkość obrotowa Minimalnego jednostkowego zużycia paliwa (Nb) – przy niej silnik ma najmniejsze jednostkowe zużycie paliwa.
  • Minimalna (Nmin) – jest to najmniejsza prędkość, z jaką silnik może jeszcze pracować pod obciążeniem.
  • Biegu luzem (No) - jest to najmniejsza prędkość obrotowa, z jaką silnik może jeszcze pracować bez obciążenia

 

  1. Sprawność silnika (Ne) – jest to ilość pracy, jaka silnik jest w stanie przetworzyć na pracę mechaniczną (czyli napęd śmigła i ruch samolotu) w stosunku do ilości dostarczonej w paliwie i wytworzone w czasie procesu chemicznego jej spalania w cylindrach:

sprawno

 

Sprawność silników spalinowych niestety nie jest duża, i wynosi ok. 30-40%. Oznacza to, że tylko 30 do 40% energii dostarczonej w paliwie przetwarzana jest na pracę użyteczną, czyli możliwą do wykorzystania do napędu statku powietrznego. Reszta to straty, które przedstawia poniższy bilans energetyczny silnika:

 

 

 

Zdjcie_17

 

Zdjęcie 17. Bilans energetyczny silnika spalinowego

 

  1. Stopień sprężania (ε) – mówi o tym, ile razy zmniejsza się objętość nad tłokiem w jego Zewnętrznym Zwrotnym Punkcie ZZP (czyli komory spalania Vk) w czasie sprężania w stosunku do całkowitej objętości cylindra Vc.

 

stopien_sprezenia

 

Stopień sprężania mówi o sile sprężania mieszanki. W silnikach lotniczych z zapłonem iskrowym (ZI) wynosi on 6 do10. W przypadku silników diesla, z zapłonem samoczynnym –ZS -( a używano ich do napędu samolotów w latach 40.) stopień ten musi być znacznie większy, aby sprężone powietrze osiągnęło odpowiednią temperaturę do zapłonu wtryskiwanego paliwa. Wynosi on wówczas 13-22.

 


  1. Ciśnienie użyteczne gazów w cylindrze (Pe)– jest to ciśnienie powstałe w komorze spalania podczas spalanie mieszanki paliwowo- powietrznej, działające na tłok i powodujące jego ruch w dół ( czyli od ZZP do WZP ). W silnikach lotniczych wynosi ono średnio:

- bez doładowania Pe = 885…1078 kN/m2 (9…11 kG/cm2)

- z doładowaniem Pe = 1178…1960 kN/m2 (12…20 kG/cm2)

 

 

Ze względu na własności użytkowe silnika, wyróżniamy następujące charakterystyki:

  1. stanowiskową – zawiera ona te wszystkie parametry silnika, które ustalone zastały na podstawie pomiarów wykonanych przed zamontowaniem go do samolotu. Pomiary dokonuje się na stanowisku testowym, tzw. hamowni. Za ich pomocą określa się:

- zależność momentu obrotowego i zużycia paliwa przy określonej prędkości obrotowej w warunkach zerowej wysokości i zerowej prędkości (H=0, v=0)

- temperaturę cieczy chłodzącej i oleju

- ciśnienie ładowania

- ciśnienie w cylindrach

- ciśnienie w instalacji olejowej

- ciśnienie w instalacji paliwowej

- wielkość momentu obrotowego

- moc

  1. zewnętrzną – określa ona wielkość momentu obrotowego, zużycia paliwa, moc efektywną w zależności od prędkości obrotowej silnika. Pomiaru dokonuje się na ziemi, a więc przy stałej wysokości. Po uruchomieniu silnika przepustnicę otwiera się maksymalnie i dokonuje pomiarów. Prędkość obrotową silnika zmienia się poprzez zmianę obciążania silnika, czyli poprzez zmianę średnicy montowanego śmigła lub zmianę kąta nastawienia jego łopat. Charakterystyka zewnętrzna pozwala uzyskać informację o maksymalnej mocy danego silnika przy różnych prędkościach obrotowych oraz zużyciu jednostkowym paliwa w przy tych parametrach.

  2. śmigłową – jest w pewnym sensie odwrotnością charakterystyki zewnętrznej. Pomiarów dokonuje się w locie a zmian prędkości obrotowej dokonuje się przez otwarcie lub przymknięcie przepustnicy. Pokazuje ona, jak zmienia się moc i jednostkowe zużycie paliwa przy stałym obciążeniu silnika pracującego na danej wysokości.

  3. uniwersalną – określana jest na podstawie pomiarów na hamowni. Prędkość obrotową zmienia się poprzez ustawienie przepustnicy. Określa się zależność momentu obrotowego silnika i jednostkowego zużycia paliwa od zmian prędkości obrotowej. Charakterystyka ta umożliwia odpowiednie wyregulowanie zasilania, zapłonu i obciążenia silnika.

 

Spalinowe silniki tłokowe dzielą się wg. sposobu pracy na dwa zasadnicze rodzaje:

  1. silniki tłokowe czterosuwowe

  2. silniki tłokowe dwusuwowe

 

Oprócz różnic konstrukcyjnych, głównie w konstrukcji układu rozrządu, oba rodzaje silników dzielą się głównie ilością ruchów tłoka (tzw. suwów) roboczych, przypadającą na ilość obrotów wału korbowego. Suw roboczy to ten, w czasie którego następuje zapłon mieszanki i rozprężenie gazów a ciśnienie spycha tłok w dół – czyli wykonuje on pracę, zamieniając energię chemiczną na energię (mechaniczną) kinetyczną. W silnikach czterosuwowych jeden suw pracy przypada na dwa obroty wału, w silniku dwusuwowym jeden suw pracy przypada na jeden obrót wału korbowego. Dlaczego tak się dzieje, zrozumiemy po krótkim prześledzeniu cyklów pracy obu silników.

 

Maciej Ługowski