Analiza cykli pracy czterosuwowych silników spalinowych

Analiza cykli pracy czterosuwowych silników spalinowych.

Spis treści 3
SPIS TREŚCI
Wykaz ważniejszych oznaczeń ....................................................................................... 7
Wprowadzenie .................................................................................................................. 13
1. TEORETYCZNE CYKLE PRACY TŁOKOWYCH SILNIKÓW SPALINOWYCH .......................... 17
1.1. Wiadomości wstępne ................................................................................................ 17
1.2. Uogólniony cykl pracy czterosuwowego tłokowego silnika spalinowego ............... 20
1.2.1. Cykl z doprowadzeniem ciepła przy stałej objętości ...................................... 26
1.2.2. Cykl z doprowadzeniem ciepła przy stałym ciśnieniu .................................... 26
1.2.3. Cykl z mieszanym doprowadzeniem ciepła .................................................... 27
1.3. Wpływ różnych czynników na sprawność i średnie ciśnienie teoretycznego
cyklu pracy silnika spalinowego .............................................................................. 28
1.3.1. Cykl pracy z doprowadzeniem ciepła przy stałej objętości ............................ 28
1.3.2. Cykl pracy z doprowadzeniem ciepła przy stałym ciśnieniu ......................... 30
1.3.3. Cykl pracy z mieszanym doprowadzeniem ciepła ......................................... 31
1.4. Teoretyczne cykle pracy doładowanych silników spalinowych ............................... 38
2. PORÓWNAWCZE CYKLE PRACY TŁOKOWYCH SILNIKÓW SPALINOWYCH ....................... 43
2.1. Wiadomości wstępne ................................................................................................ 43
2.2. Uogólniony model matematyczny procesu roboczego
w cylindrze czterosuwowego tłokowego silnika spalinowego ................................. 44
2.3. Czynnik roboczy i jego właściwości ........................................................................ 47
2.4. Wymiana czynnika roboczego w czterosuwowych silnikach spalinowych ............. 53
2.4.1. Różniczkowe równanie zmiany ciśnienia w cylindrze
w czasie procesu wymiany czynnika roboczego ............................................ 57
2.4.2. Zmiana ilości i parametrów czynnika roboczego w cylindrze silnika
podczas wymiany ładunku ............................................................................. 62
2.4.2.1. Analityczne wyznaczenie parametrów procesu wymiany
czynnika roboczego .......................................................................... 65
2.4.2.2. Względna zmiana objętości cylindra ................................................ 67
2.4.2.3. Płaszczyzna przekroju przelotowego na zaworze ............................. 68
2.4.3. Średnie ciśnienie w cylindrze podczas procesu napełniania
oraz stopień napełnienia cylindra ηv .............................................................. 69
2.4.3.1. Wpływ wilgotności powietrza na stopień napełnienia cylindra ........ 75
2.5. Proces kompresji ...................................................................................................... 76
2.5.1. Obliczenie parametrów końca procesu kompresji .......................................... 78
2.5.2. Wpływ różnych czynników na proces kompresji ........................................... 81
2.5.3. Ruch czynnika roboczego w czasie procesu kompresji ................................. 82
Spis treści 4
2.6. Proces doprowadzania ciepła w porównawczym cyklu pracy silnika .................... 84
2.7. Proces ekspansji czynnika roboczego w cylindrze ................................................. 86
2.7.1. Obliczanie temperatury spalin w układzie wylotowym silnika .................... 88
2.7.2. Bilans energii cylindra silnika spalinowego ................................................. 89
2.8. Proces kompresji i ekspansji w silniku z wieloetapowym wtryskiem paliwa ........ 93
3. RZECZYWISTE CYKLE PRACY TŁOKOWYCH SILNIKÓW SPALINOWYCH ......................... 99
3.1. Wiadomości wstępne .............................................................................................. 99
3.2. Procesy wymiany czynnika roboczego .................................................................. 102
3.2.1. Proces wylotu spalin .................................................................................... 102
3.2.2. Wymiana gazów w okresie współotwarcia zaworów ................................... 104
3.2.3. Proces napełniania cylindra .......................................................................... 105
3.2.4. Fazy rozrządu ............................................................................................... 106
3.2.5. Wpływ różnych czynników na stopień napełnienia cylindra ....................... 106
3.3. Procesy doprowadzania i rozpylania paliwa
w tłokowych silnikach spalinowych ..................................................................... 109
3.3.1. Charakterystyki wtrysku paliwa ................................................................... 110
3.3.2. Rozpad strugi paliwa i parametry charakteryzujące drobność
i jednorodność rozpylania paliwa ................................................................ 115
3.3.3. Struktura rozpylonej strugi paliwa ............................................................... 118
3.3.4. Wpływ różnych czynników na drobność rozpylenia oraz rozwój
i strukturę strugi wtryskiwanego paliwa ...................................................... 119
3.3.4.1. Wpływ charakterystyki wtrysku i ciśnienia rozpylania .................. 119
3.3.4.2. Wpływ konstrukcji rozpylacza ....................................................... 120
3.3.4.3. Wpływ fizycznych właściwości paliwa .......................................... 121
3.3.4.4. Wpływ właściwości ośrodka gazowego ......................................... 121
3.3.5. Procesy tworzenia mieszanki palnej w silnikach ZS .................................... 122
3.3.5.1. Procesy tworzenia mieszanki palnej w silnikach
o wtrysku bezpośrednim ................................................................. 122
3.3.5.2. Tworzenie mieszanki palnej w silnikach o dzielonych
komorach spalania .......................................................................... 129
3.3.5.3. Tworzenie mieszanki palnej w silnikach doładowanych ................ 130
3.3.6. Procesy tworzenia mieszanki palnej w silnikach o zapłonie iskrowym ....... 131
3.3.6.1. Rozpylanie paliwa .......................................................................... 131
3.3.6.2. Tworzenie i ruch błonki paliwa ...................................................... 131
3.3.6.3. Parowanie paliwa ............................................................................ 132
3.3.6.4. Nierównomierność składu mieszanki palnej poszczególnych
cylindrów silnika wielocylindrowego ............................................. 132
3.4. Proces spalania i wydzielania ciepła ...................................................................... 134
Spis treści 5
3.4.1. Podstawy teorii procesu spalania ................................................................. 135
3.4.1.1. Zapłon objętościowy ....................................................................... 137
3.4.1.2. Zapłon od wyładowania elektrycznego
i rozprzestrzenianie się płomienia ................................................... 138
3.4.2. Spalanie w silniku o zapłonie samoczynnym ............................................... 140
3.4.3. Spalanie w silniku o zewnętrznym sposobie tworzenia mieszanki palnej ...... 145
3.4.3.1. Spalanie stukowe ............................................................................ 147
3.4.3.2. Przedwczesny zapłon ...................................................................... 149
3.5. Proces ekspansji ..................................................................................................... 149
4. WYKRES INDYKATOROWY I WYDZIELANIE CIEPŁA ....................................................... 153
4.1. Związek między doprowadzonym ciepłem i zmianą parametrów stanu
czynnika roboczego podczas przemian politropowych .......................................... 153
4.2. Związek między procesem doprowadzania ciepła i pracą zamkniętego
termodynamicznego cyklu pracy silnika ................................................................ 156
4.3. Spalanie i wydzielanie ciepła w tłokowym silniku spalinowym ............................ 158
4.3.1. Wykres indykatorowy i proces wydzielania ciepła ...................................... 160
4.3.2. Modelowanie procesu wydzielania ciepła ................................................... 165
4.3.3. Modelowanie wykresu indykatorowego tłokowego silnika spalinowego .... 168
5. METODYKA ANALIZY WYKRESU INDYKATOROWEGO ................................................... 173
5.1. Przygotowanie eksperymentalnego wykresu indykatorowego do analizy ............. 173
5.2. Wyznaczenie okresu opóźnienia zapłonu ............................................................... 176
5.3. Aproksymacja rzeczywistego wykresu indykatorowego
za pomocą funkcji sklejanych ................................................................................ 178
5.4. Przedstawienie rzeczywistego wykresu indykatorowego w podwójnej
skali logarytmicznej ............................................................................................... 182
5.5. Współczynnik wykorzystania ciepła podczas procesu spalania ............................. 184
5.6. Charakterystyki wydzielania ciepła podczas procesu spalania .............................. 187
5.6.1. Wyznaczanie charakterystyk wydzielania ciepła podczas procesu spalania ... 191
5.6.2. Wyznaczanie charakterystyk wydzielania ciepła przy założeniu,
że proces spalania zakończył się do chwili otwarcia zaworu wylotowego ..... 193
5.6.3. Sporządzanie wykresu indykatorowego w oparciu o wykorzystanie
dowolnie zadanej charakterystyki wydzielania ciepła podczas
procesu spalania ........................................................................................... 195
5.7. Zastosowanie sztucznej inteligencji do analizy i oceny wykresu indykatorowego ... 195
5.7.1. Opis systemu genetyczno-rozmytego GFS wykorzystywanego
do analizy wykresu indykatorowego ........................................................... 197
Spis treści 6
5.7.2. Porównanie rzeczywistego wykresu indykatorowego z wykresem
otrzymanym za pomocą systemu GFSm ...................................................... 201
6. WYBRANE WYNIKI BADAŃ WŁASNYCH ........................................................................ 205
6.1. Geneza badań ......................................................................................................... 205
6.2. Obiekt badań i stanowisko badawcze ..................................................................... 209
6.3. Paliwa stosowane do zasilania badanego silnika .................................................... 212
6.4. Zakres i program badań ......................................................................................... 214
6.5. Wyniki badań eksperymentalnych silnika pracującego
według zewnętrznej charakterystyki prędkościowej .............................................. 216
6.6. Wyniki pomiarów wielkości szybkozmiennych .................................................... 221
6.7. Wybrane charakterystyki wydzielania ciepła podczas procesu spalania
w silniku o zapłonie samoczynnym typu AD3.152 UR ......................................... 228
6.8. Matematyczny model tworzenia tlenków azotu w silniku o zapłonie
samoczynnym ........................................................................................................ 233
Zakończenie .................................................................................................................... 239
Literatura ....................................................................................................................... 243
Streszczenie ................................................................................................................... 249
Summary ....................................................................................................................... 251