article in PDF format - Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów

article in PDF format - Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW
1(92)/2013
Piotr Szczęsny1, Konrad Suprowicz2
OCENA ROZWOJU SILNIKÓW SPALINOWYCH W OPARCIU O ANALIZĘ
WSKAŹNIKÓW PORÓWNAWCZYCH
1. Wprowadzenie
Konstrukcje silników spalinowych podlegają ciągłemu rozwojowi. Maksymalne
wartości mocy i momentu limitowane są granicznymi obciążeniami cieplnymi oraz
mechanicznymi. Wymusza to stosowanie coraz wytrzymalszych, odporniejszych na
wysokie temperatury materiałów konstrukcyjnych. Największy wpływ na osiągi mają
modyfikacje układów dolotowego, rozrządu oraz zasilania. Obecnie wzrost mocy i
momentu uzyskuje się głównie poprzez zwiększenie średniego ciśnienia efektywnego.
W pracy przedstawiono analizę statystyczną wskaźników porównawczych oraz
parametrów konstrukcyjnych, reprezentatywnych grup silników pojazdów osobowych,
produkowanych w kolejnych dziesięcioleciach w latach 1950-2011. Przygotowano bazę
danych niezbędnych parametrów ponad 200 silników zarówno o ZI jak i ZS. Do analiz
wykorzystano zestaw 8 zdefiniowanych wskaźników porównawczych i konstrukcyjnych,
istotnych ze względu na obciążenia cieplne i mechaniczne porównywanych silników.
2. Podstawy teoretyczne
Duże moce jednostkowe współczesnych silników spalinowych powodują wzrost
ich obciążeń. Obciążenia mechaniczne tłokowych silników spalinowych powodowane są
głównie przez:
●
siły gazowe powstałe w wyniku spalania mieszanki paliwowo – powietrznej,
zależne od ciśnienia indykowanego wytworzonego w cylindrze,
●
siły bezwładności, powstałe w wyniku ruchu elementów układu korbowotłokowego, które zależą od zmian prędkości kątowej wału korbowego, masy
ruchomych części i specyfiki konstrukcyjnej silnika [1,2,7].
Osiągi współczesnych silników spalinowych są limitowane głównie przez
obciążenia cieplne, które można wyznaczać przez ilość wywiązywanego ciepła dla
silnika jako całości lub lokalnie, wyrażając obciążenia cieplne poprzez temperaturę
poszczególnych elementów[3,4,5,6].
1
2
dr inż. Piotr Szczęsny - Politechnika Lubelska, Instytut Transportu, Silników Spalinowych i Ekologii
mgr inż. Konrad Suprowicz - Lubelskie Centrum Rzeczoznawców Motoryzacyjnych sp. z o.o.
119
Tabela 1. Wskaźniki porównawcze zastosowane do obliczeń.
Wskaźnik (parametr)
formuła
jednostka
wymiary główne
S/D
[-]
stopień sprężania

[-]
cśr = 2∙S∙n
m/s
E
[-]
masa jednostkowa
GN = Gs/Ne
kg/kW
objętościowy wskaźnik mocy
NV = Ne/Vss
kW/dm3
tłokowy wskaźnik mocy
NF = Ne/i∙Ft
kW/cm2
NFK = NF/(S/D)0,5
kW/cm2
średnia prędkość tłoka
współczynnik elastyczności
skorygowany tłokowy wskaźnik mocy
Zestawione w tabeli 1 wskaźniki i parametry zostały wykorzystane do wyznaczenia
parametrów i wskaźników porównawczych, użytych w późniejszej analizie
statystycznej.
Tabela 2. Główne wskaźniki silnika
Karla Benza (1886)
Wskaźnik
wymiary główne S/D
150/130
[-]
stopień sprężania
2,7
[-]
średnia prędkość tłoka
2,5
m/s
1,1
kW/dm3
0,0166
kW/cm2
0,0155
kW/cm2
objętościowy wskaźnik
mocy
tłokowy wskaźnik
mocy
skorygowany tłokowy
wskaźnik mocy
Rys. 1. Benz Patent-Motorwagen (1886)
120
wartość jednostka
Dla lepszego zobrazowania postępu i rozwoju jaki dokonał się w dziedzinie
samochodowych silników spalinowych, w tabeli 2 pokazano wybrane wskaźniki jednego
z pierwszych silników samochodowych Karla Benza z 1886r., a w tabeli 3
współczesnego, znacznie wysilonego silnika VW Golf 1,4 TSI.
Tabela 3. Główne wskaźniki silnika
VW Golf 1,4 TSI (2005)
Wskaźnik
wymiary główne S/D
stopień sprężania
średnia prędkość tłoka
objętościowy wskaźnik
mocy
tłokowy wskaźnik
mocy
skorygowany tłokowy
wskaźnik mocy
wartość jednostka
75,6/76,5
[-]
10
[-]
17,64
m/s
90
kW/dm3
0,680
kW/cm2
0,684
kW/cm2
Rys. 2. Silnik VW Golf 1,4 TSI (2005)
3. Analiza statystyczna
Na kolejnych wykresach (Rys.3-10) przedstawiono opracowanie graficzne średnich
wskaźników i parametrów reprezentatywnych grup silników, dla kolejnych
dziesięcioleci poczynając od roku 1940. * silniki wolnossące,** silniki doładowane
Rys. 3. Średnie wartości S/D
121
Rys. 4. Średni stopień sprężania
Rys. 5. Średnia prędkość tłoka
122
Rys. 6. Współczynnik elastyczności całkowitej
Rys. 7. Masa jednostkowa
123
Rys. 8. Objętościowy wskaźnik mocy
Rys. 9. Tłokowy wskaźnik mocy
124
Rys. 10. Skorygowany tłokowy wskaźnik mocy
Jak wynika z analiz zamieszczonych wskaźników i parametrów porównawczych, w
okresie ostatnich siedemdziesięciu lat dokonał się znaczny postęp w konstrukcji silników
spalinowych do pojazdów samochodowych, którego efektem jest istotna poprawa
wskaźników jednostkowych, pozwalająca osiągać wyższą wydajność energetyczną i tym
samym lepsze własności ekologiczne współczesnych jednostek napędowych.
4. Podsumowanie
Konstrukcje silników spalinowych, zarówno ZI jak i ZS, są coraz bardziej wysilone.
Najnowsze silniki ZI osiągają średnią wartość objętościowego wskaźnika mocy na
poziomie 70 kW/dm3, a silniki ZS 62 kW/dm3.
Obciążenia cieplne silników ZI są większe niż silników ZS. Dla najnowszych
silników ZI średnie wartości tłokowych wskaźników mocy wynoszą: N F = 0,61 kW/cm2,
NFK=0,59 kW/cm2 i odpowiednio dla ZS: NF=0,56 kW/cm2, NFK=0,53 kW/cm2.
Najbardziej wysilone są obecnie silniki doładowane o ZI.
Średnia wartość średniej prędkości tłoka dla współczesnych konstrukcji silników ZI
wynosi 16,8 m/s i jest większa niż w przypadku silników ZS, dla których obecnie
wynosi 11,9 m/s .
W przeszłości, wraz z rozwojem konstrukcji silników zmniejszano skok tłoka,
zmniejszając wartość stosunku S/D. Możliwe było zwiększenie prędkości obrotowej
wału korbowego, a tym samym uzyskanie większej mocy, bez zmniejszania trwałości
silnika. Obecnie panuje tendencja do ponownego zwiększania stosunku S/D.
Literatura:
[1]
Wajand J., Werner J.: Silniki spalinowe małej i średniej mocy. WNT, Warszawa
1983,
[2]
Kozaczewski W.: Konstrukcja grupy tłokowo- cylindrowej silników
spalinowych.WKiŁ, Warszawa 2004,
125
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
Wisniewski S.: Obciążenia cieplne silników tłokowych. WKiŁ, Warszawa 1972,
Rychter T., Teodorczyk A.: Teoria silników tłokowych. WKiŁ, Warszawa 2006,
Kowalewicz A.: Systemy spalania szybkoobrotowych tłokowych silników
spalinowych.WKiŁ, Warszawa 1980,
Wisłocki
K.:
Systemy
doładowania
szybkoobrotowych
silników
spalinowych.WKiŁ, Warszawa 1990,
Luft S.: Podstawy budowy silników. WKiŁ, Warszawa 2003.
Streszczenie
W pracy przedstawiono analizę statystyczną wskaźników porównawczych oraz
parametrów konstrukcyjnych, reprezentatywnych grup silników pojazdów osobowych,
produkowanych w kolejnych dziesięcioleciach w latach 1950-2011. Przygotowano bazę
danych niezbędnych parametrów ponad 200 silników zarówno o ZI jak i ZS. Do analiz
wykorzystano zestaw 8 zdefiniowanych wskaźników porównawczych i konstrukcyjnych,
istotnych ze względu na obciążenia cieplne i mechaniczne porównywanych silników.
Słowa kluczowe: silniki spalinowe, wskaźniki porównawcze, analiza statystyczna
ESTIMATION OF THE DEVELOPMENT OF COMBUSTION ENGINES IN
SUPPORT ABOUT COMPARATIVE COEFFICIENTS ANALYSIS
Abstract
The paper presents the statistical analysis of comparative coefficients and
constructional parameters of representative groups of engines of personal vehicles,
produced in next decades in years 1950-2011. The base of data of indispensable
parameters over 200 engines both about SI how and CI was prepared. To analyses were
used the set of 8 defined comparative and constructional coefficients, important with
regard on thermal and mechanical loads of compared engines.
Keywords: combustion engines, comparative coefficients, statistical analysis
126