Obiegi rzeczywiste - temat 5 (4)

a)

wykres indykatorowy, analiza wykresów indykatorowych,

b)

ładowanie, przebieg, parametry, ustawienie rozrządu, wpływ prędkości i obciążenia,

c)

sprężanie (przebieg, parametry);

d)

tworzenie mieszaniny palnej (rozpylenie paliwa, parowanie i mieszanie z powietrzem);

e)

spalanie ( opóźnienie samozapłonu, fazy spalania, szybkość spalania, max cisnienie spalania);

f)

rozprężanie (przebieg, parametry);

g)

wydech (przebieg, fazy wydechu, parametry).

Obrazem graficznym obiegu rzeczywistego w układzie p-V jest wykres indykatorowy – rys.2.7

Parametry termodynamiczne obiegu rzeczywistego.

•

Ciśnienie i temperatura na dolocie do cylindra

•

Ciśnienie i temperatura na początku i końcu sprężania

•

Największe ciśnienie temperatura spalin,

•

Parametry spalin w chwili otwarcia zaworów lub okien wylotowych i podczas wylotu spalin.

Parametry te zależą od:

•

Założeń konstrukcyjnych silnika, ale przede wszystkim od,

•

Czynników eksploatacyjnych (stan techniczny silnika i stopień obciążenia)

1.

Dolot ładunku.

Ciśnienie dolotu: (2.14)

dwusuwowy

p

1

= (0,85 - 1,00)p

d

(2.14a) czterosuwowy

p

2

= (0,90 - 0,95)p

d

Spadek ciśnienia powietrza ładującego jest spowodowany oporami przepływu i dławieniem.

Największe ciśnienie ładunku na końcu dolotu, czyli na początku sprężania mają silniki wolnoobrotowe o przepłukaniu

wzdłużnym, natomiast najmniejsze silniki szybkoobrotowe czterosuwowe o przewodach dolotowych z dużym oporem

przepływu.

Temperatura na końcu dolotu ( ładowania) – wzór 2.15.

T

d

+

∆∆∆∆

T +

γγγγ

r

T

r

T

ł

=



















































1 +

γγγγ

r

gdzie:

T

d

- temperatura powietrza na dolocie do przestrzeni roboczej ( w zasobniku).

T

r

– temperatura reszty spalin, 800-900 K dla 2-suw; 650-800 K dla 4-suw.

∆∆∆∆

T – przyrost temperatury ładunku ; 20-30 K,

γγγγ

r

- współczynnik reszty spalin m

r

/ m

ł

.; którego wartość wynosi:

•

0,02-0,04 dla 4-suwów;

•

0,04-0,08 dla 2-suwów z przepłukaniem wzdłużnym i

•

0,12-014 dla 2suwów z przepłukaniem porzecznym.

2.

Sprężanie

Rzeczywisty stopień sprężania jest mniejszy od geometrycznego stopnia sprężania – wzór 2.16.

Ciśnienie ładunku na końcu sprężania p

k

- wyznaczone z równania politropy - wzór. 2.17.

p

k

= p

1

εεεε

e

n

ponieważ średnia wartość wykładnika politropy n

<<<<

k to w konsekwencji p

k

<<<<

p

2

Temperatura ładunku na końcu sprężania politropowego T

k

– wzór 2.18

T

k

= T

1

εεεε

e

n -1

( 250-300 K)

Ze względu na prawidłowy przebieg samozapłonu i spalania mieszaniny temperatura T

k

musi być wyższa od temperatury

samozapłonu o ( 250-300 K)

3.

Parametry końca spalania

Ciśnienie końca spalania

p

max

= φ p

k

- wzór 2.19.

•

8-16 MPa-dwusuwowe wolnoobrotowe;

•

6-18 MPa –czterosuwowe średnioobrotowe

Przeciętne wartości p

max

określa tabela 2.2.

Temperatura spalania T

max

( wyliczana z bilansu cieplnego) wynosi :

•

1800 – 2200 K ( dwusuwowe-wolnoobrotowe);

•

2000- 2500 K ( średnioobrotowe – czterosuwowe).

4.

Rozprężanie

Ciśnienie na końcu rozprężania

p

5

= p

max

/ ε

er

n

2

(wynosi 0,3-0,6 MPa)

– wzór 2.20.

gdzie

ε

er -

rzeczywisty stopień rozprężania

≈

εεεε

e

/

ρρρρ

Temperatura na końcu rozprężania

T

5

= T

max

/ ε

er

n

2

-1

(wynosi 800-1000K 2-suw; 900-1200 K 4-suw. ) –wzór 2.22

5.

Wylot

Wylot spalin odbywa się wskutek ich nadciśnienia w stosunku do ciśnienia atmosferycznego lub ciśnienia w zbiorniku

spalin.

Srednie ciśnienie wylotu p

w

jest mniejsze od ciśnienia doładowania p

d

o 10-30 kPa (0,01 – 0,03 MPa)

6.

Sprawność indykowana η

i

– sprawność obiegu rzeczywistego – wzór 2.23

Podobnie jak w obiegu teoretycznym tak i w rzeczywistym procesie roboczym tylko z części doprowadzonego

ciepła otrzymuje się energie mechaniczną. Miarą wykorzystania tego ciepła jest sprawność indykowana

ηηηη

i

Q

i

L

i

ηηηη

i

=















=





















Q

1

Q

d

Jest to stosunek ciepła Qi , równoważnego pracy indykowanej L

i

w rzeczywistym obiegu, do ilości ciepła

doprowadzonego Q

1

= Q

d

do czynnika roboczego w tym obiegu.

Praca indykowana L

i

jest proporcjonalna do pola obiegu rzeczywistego F

i

na wykresie indykatorowym – rys.2.7.

7.

Ś

rednie ciśnienie indykowane. Średnie ciśnienie obiegu rzeczywistego.

Obieg rzeczywisty, zwany w praktyce wykresem indykatorowym przedstawia zmiany ciśnienia w cylindrze ( przestrzeni

roboczej) w funkcji skoku tłoka S lub objętości skokowej V

s

.

Pole wykresu jest proporcjonalne do pracy jednego cyklu ( obiegu), czyli tzw. pracy indykowanej L

i

.

Wykresy indykatorowe silnika dwusuwowego ( rys.2.7a) i uproszczony wykres indykatorowy czterosuwowego silnika

doładowanego ( rys.2.7b).

W warunkach okrętowych wykres indykatorowy służy głownie do pomiaru i regulacji mocy silnika.

Aby tego dokonać potrzebna jest znajomość średniego ciśnienia indykowanego p

i

.

Ś

rednim ciśnieniem indykowanym p

i

nazywa się takie stałe, zastepcze (obliczeniowe) cisnienie czynnika roboczego, które

działajac na tłok podczas suwu pracy, wykonałoby taka samą pracę indykowaną L

i

., jak zmienne cisnienie rzeczywiste w

jednym cyklu pracy.

p

i

. = L

i

. / V

s

( wzór 2.24) dysponując wykresem indykatorowym (rys.2.7), którego pole powierzchni wynosi F

i

[mm

2

], a

długość l

i

[mm], średnie cisnienie indykowane oblicza się wg wzoru:

p

i

. = F

i

/ l

i

f [mm/Nm

2

],[Pa]

gdzie: f – skala wykresu ( skala sprężyny indykatora) [ mm / N/m

2

] lub [mm / Pa].

A zatem, średnie cisnienie indykowane p

i

jest równe wysokości prostokąta, którego podstawa l

p

i pole F

p

równe są długości

li i polu F

i

wykresu indykatorowego.

Powierzchnie wykresu F

i

wyznacza się przez planiometrowanie. Średnie cisnienie indykowane można także obliczyć na

podstawie wykresu obiegu teoretycznego lub wykresu porównawczego (rys.2.7)

Korzystając z zależności 2.13 na średnie cisnienie teoretyczne pt wzór na średnie ciśnienie indykowane przybiera postać

pi =

ηηηη

g . pt ( wzór 2.25) i po podstawieniu za pt zależność 2.13 ( wzór na pt) otrzymamy: (wzór 2.25a)

ε

k

η

t

p

i

=

ηηηη

g

p

1

—————[ φ-1 + k φ (ρ-1)]

(k-1)(ε-1)

ηηηη

g

-

stopień wypełnienia wykresu porównawczego, jest to(rys.2.11 – porównanie wykresów porównawczego i

indykatorowego) stosunek ciepła Q

i

równoważnego pracy indykowanej L

i

do ilości ciepła

Q = Q

1

-Q

2

równoważnego pracy

L

t

obiegu porównawczego ( wzór 2.26):

ηηηη

g

= L

i

/

ηηηη

t

Q

1

Ponieważ praca obiegu jest proporcjonalna do pola obiegu, dlatego

ηηηη

g

można przedstawić stosunkiem pól wykresu

indykowanego i porównawczego (wzór 2.26a) .

Przeciętnie średnie cisnienie indykowane współczesnych silników okrętowych dla znamionowych obciążeń wynoszą:

0,8 – 1,5 MPa dla wolnoobrotowych silników dwusuwowych,

1,6 – 2,5 MPa dla średnioobrotowych silników czterosuwowych.