Charakterystyki silnika – co mówią wykresy?

W spalinowym silniku tłokowym można wyróżnić cztery podstawowe charakterystyki:

• Charakterystyka prędkościowa, pokazująca zależności wskaźników pracy silnika od prędkości obrotowej.
• Charakterystyka obciążeniowa, która opisuje zależności wybranych parametrów od obciążenia.
• Charakterystyka regulacyjna, pozwalająca zobaczyć powiązania najważniejszych parametrów z konkretnym czynnikiem regulowanym. Takim czynnikiem regulowanym może być np. kąt wtrysku lub kąt wyprzedzenia zapłonu.
• Ogólne, wiążące ze sobą np. kilka charakterystyk.

Jest to najczęściej używany wykres pracy silnika, powszechnie używany w artykułach, prospektach i katalogach. To charakterystyka zależności momentu obrotowego od prędkości obrotowej silnika. Zazwyczaj uzupełniona jest wyliczonym z momentu obrotowego i prędkości wykresem mocy użytecznej.

Tego rodzaju charakterystyka uzyskiwana jest podczas badań na hamowni silnikowej. W materiałach reklamowych jest zwykle uśrednieniem wartości z wielu przebadanych egzemplarzy. Każdy silnik danego modelu powinien teoretycznie ją spełniać.

Wyróżnia się różne odmiany tej charakterystyki. Dla nastaw maksymalnych uzyskuje się tzw. charakterystykę zewnętrzną, dla nastaw pośrednich tzw. charakterystykę mocy dławionych. Wyróżnić można też charakterystykę granicy dymienia, szczególnie istotną dla silników o zapłonie samoczynnym ZS (popularne diesle).

Ta ostatnia pozyskiwana jest dla takich parametrów dawki paliwa, przy której silnik nie przekracza zadymienia spalin w przyjętej normie. Wszystkie wspomniane wykresy będą umieszczone poniżej charakterystyki zewnętrznej.

Na podstawie charakterystyki prędkościowej można określić wiele parametrów i cech silnika. Parametrami uzyskiwanymi są:

• Prędkość obrotowa biegu jałowego, czyli taka, przy której silnik pracuje pewnie, pokonując opory wewnętrzne oraz osprzętu silnika.
• Prędkość i wartość maksymalnego momentu obrotowego silnika – wartość podawana w broszurach informacyjnych.
• Prędkość i wartość maksymalnej mocy użytecznej – jedne z wartości dominujących przy określaniu silnika dla danego samochodu.
• Prędkość obrotową maksymalną silnika, wynikającą ze spadku wartości momentu obrotowego oraz parametrów trwałościowych silnika.

Ponadto z charakterystyki zewnętrznej można wyciągnąć wnioski dotyczące elastyczności silnika. Jest ona oceniana jako cecha informująca o sposobie reagowania silnika na zmieniające się obciążenie. Elastyczność także da się wyliczyć. Służy do tego wskaźnik elastyczności momentu obrotowego.

Rozumiany jest on jako stosunek maksymalnego momentu obrotowego do momentu obrotowego maksymalnej mocy użytecznej. Im większa różnica między tymi momentami, tym auto ma większą nadwyżkę umożliwiającą reagowanie na zmieniające się opory ruchu.

Nieco odmienne charakterystyki uzyskuje się dla silników ZI (benzynowe) i ZS (diesle). Widać to wyraźnie na poniższych charakterystykach uzupełnionych o wykresy godzinowego zużycia paliwa i zużycia jednostkowe paliwa. Są to wykresy, które zazwyczaj dopełniają charakterystykę prędkościową.

Najważniejszym wykresem takiej charakterystyki jest zależność godzinowego zużycia paliwa od obciążenia silnika. Obciążenie to określone jest zazwyczaj momentem obrotowym lub średnim ciśnieniem efektywnym. Charakterystykę obciążeniową sporządza się przy zachowaniu przyjętej stałej wartość prędkości obrotowej. Na takiej charakterystyce przedstawia się również zależność jednostkowego zużycia paliwa w zależności od obciążenia.

Jednostkowe zużycie paliwa oblicza się jako stosunek godzinowego zużycia paliwa do maksymalnej mocy użytecznej. W prawidłowo sporządzonej charakterystyce widać wyraźnie, że zwiększeniu obciążenia towarzyszy zwiększenie zużycia paliwa. Odzwierciedla to wzrost spalania podczas mocniejszego naciskania na pedał przyspieszenia.

Gwałtowny wzrost obserwujemy zwłaszcza w obszarze przy obciążeniach maksymalnych. Szczególnie specyficznie wygląda charakterystyka obciążeniowa dla silnika ZS. Taki silnik osiąga maksymalny moment obrotowy po przekroczeniu tzw. granicy dymienia. Dymienie spowodowane jest niecałkowitym spaleniem paliwa. Dalszemu zwiększaniu dawki paliwa towarzyszy spadek momentu obrotowego.

Charakterystyka obciążeniowa wykorzystywana jest do takiego zaprogramowania parametrów silnika, aby zmniejszyć widoczne dymienie na czarno po mocnym wciśnięciu pedału przyspieszenia. Z takiej charakterystyki wyliczyć można także, kiedy spalanie jest najmniejsze, a następnie tak zaprojektować przełożenia skrzyni biegów, aby silnik pracował możliwie często w takim właśnie zakresie.

Tego typu zależności wykorzystywane są do ustalenia bądź korygowania parametrów regulacyjnych silnika. Najczęściej używa się jej do określenia składu mieszanki, kąta wyprzedzenia zapłonu czy stopnia sprężania. Za pomocą tego rodzaju wykresów dokonuje się optymalizacji parametrów pracy silnika.

Niestety, najczęściej uzyskanie korzystniejszej wartości parametru x pociąga za sobą gorszą wartość parametru y. Dlatego ustala się, które parametry dla danego przypadku są najważniejsze, i dąży się do uzyskania ich najlepszych wartości przy zachowaniu akceptowalnych innych parametrach.

Są to wykresy pomocniczego, wykonywane z konkretnego zapotrzebowania. Zwykle budowane są na bazie charakterystyki prędkościowej lub obciążeniowej.

Niekiedy są wypadkową wielu różnych charakterystyk. Jedną z najpopularniejszych jest charakterystyka używana do analizy zakresów pracy silnika.

Źródło: S. Luft, Podstawy budowy silników, WKiŁ Warszawa 2006