ĆWICZENIE 6
Temat: BI

LANS CIEPLNY SILNIKA Z ZAPŁONEM

SAMOCZYNNYM.

Skład zespołu:

1. Grzegorz Grabski
2. Kajetan Dobrenko
3. Marcin Kamianowski

1. Cele

ćwiczenia i podstawy teoretyczne

Głównym celem naszego ćwiczenia było wyznaczenie poszczególnych składników

bilansu energetycznego silnika spalinowego.

Badanym przez nas silnikiem był silnik z

zapłonem samoczynnym, zwany również silnikiem Diesla lub wysokoprężnym. Jest to silnik

tłokowy na paliwo ciekłe – olej napędowy. Zapłon mieszanki paliwa i powietrza w cylindrze

zwany jest samoczynnym ponieważ następuje bez żadnej ingerencji z zewnątrz pod wpływem
wysoki

ej temperatury sprężonego gazu. Teoretycznym obiegiem porównawczym dla tego

silnika jest obieg Sabathe’a, składający się z izentropy sprężania, izochory i izobary (spalanie

paliwa), izentropy rozprężania, izochory (odprowadzanie ciepła z obiegu).

Obieg rzeczywisty różni się od porównawczego dość znacząco ze względu na

nieodwracalność i niedoskonałość przemian, długość czasu spalania paliwa, które również

może być niezupełne. Uwzględnia on również pracę potrzebną na usunięcie z obiegu spalin

oraz zassanie świeżego powietrza.

2. Bilans cieplny silnika.

Bilans cieplny silnika o zapłonie samoczynnym można zapisać następująco:

,gdzie

Oznaczenia:

Q

d

-

ciepło dostarczone wraz z paliwem,

Q

i

-

ciepło indykowane,

Q

u

-

ciepło zamienione na pracę użyteczną,

Q

m

- straty mechaniczne,

Q

ch

-

strata chłodzenia,

Q

o

- strata odlotowa,

Q

nz

-

strata spalania niezupełnego,

Q

r

- straty inne.

Wszys

tkie wartości odniesione do czasu dadzą poszczególne moce.

- moc cieplna spalonego paliwa:

gdzie:

u

W -

wartość opałowa = 40 [MJ/kg]

B -

masowe zużycie paliwa:

w

ρ - gęstość oleju napędowego równa 830 [

3

/ m

kg

]

t - czas spalenia 100

3

cm paliwa - 122[s]

-

moc użyteczna:

gdzie:
N

u

– moc na wale silnika

P – wskazanie hamulca – 28
n –

prędkość obrotowa wału silnika - 1850 [obr/min]

- s

trata chłodzenia:

gdzie:

w

c –

ciepło właściwe wody równe 4,19 [kJ/kgK]

2

1

,

w

w

t

t

-

temperatury wejścia i wyjścia wody chłodzącej -

1

w

t = 55 C ,

2

w

t

= 47 C

Wydatek wody:

Wydatek objętościowy: 48 [l/h]

r

nz

o

ch

i

d

Q

Q

Q

Q

Q

Q

+

+

+

+

=

m

u

i

Q

Q

Q

+

=

[ ]

kW

W

B

Q

u

d

2

,

27

=

⋅

=

[

]

s

kg

t

t

m

B

w

/

00068

,

0

10

100

6

=

⋅

⋅

=

=

−

ρ

[ ]

kW

n

P

N

u

94

,

5

8720

=

⋅

=

(

)

[ ]

kW

t

t

c

m

Q

w

w

w

w

ch

436

,

0

2

1

=

−

⋅

⋅

=

[

]

s

kg

m

w

/

013

,

0

10

*

6

,

3

10

*

48

6

3

=

=

- strata odlotowa:

[

]

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

[

]













−

+

−

+

−

+

−

+

+

−

−

5

,

8

6

,

20

81

,

0

5

,

8

1

,

21

065

,

0

5

,

8

6

,

20

045

,

0

2

,

9

1

,

27

08

,

0

045

,

0

08

,

0

12

85

,

0

8

,

9

1

,

24

2

13

,

0

10

*

68

,

0

3

=5,49[kW]

gdzie:
r

j

-

udział molowy w spalinach suchych:

2

CO

r

= 0,08 ;

045

,

0

=

CO

r

;

81

,

0

2

=

N

r

;

065

,

0

2

=

O

r

Udziały masowe:

2

H

g

= 0,13 ;

c

g = 0,85

T

o

i T

s

-

temperatury otoczenia i spalin uchodzących z silnika

- s

trata niezupełnego spalania:

=

+

=

co

u

CO

CO

CO

c

nz

W

r

r

r

g

B

Q

2

12

9

,

23

08

,

0

045

,

0

03

,

0

12

85

,

0

10

*

68

,

0

3

+

−

=0,276[kW]

gdzie:

]

/

[

9

,

23

kg

MJ

W

uco

=

-

wartość opałowa tlenku węgla

2

CO

r

= 0,08 ;

045

,

0

=

CO

r

;

- strata tarcia:


gdzie:
U –

napięcie wskazane na woltomierzu.

i –

natężenie prądu pobieranego przez silnik elektryczny

s

η - sprawność silnika elektrycznego (0,97)

h

N - moc bie

gu luzem hamulca nieobciążonego, obliczona z zależności na

u

N .

I

U

n

Qm

A

V

obr/min

W

10

70

500 678,994

14,5

110

700 1547,085

21

180

1150 3666,454

23

210

1350 4684,790

Powyższy wynik straty tarcia został zaprognozowany na podstawie wyników z tabeli oraz

reprezentującego ją wykresu poniżej.

( ) ( )

[

]

( ) ( )

[

]

=

















−

⋅

⋅

+

+

−

⋅

=

∑

=

4

1

0

2

)

(

12

2

2

2

j

j

o

s

j

co

co

c

H

o

s

H

o

T

i

T

i

r

r

r

g

T

i

T

i

g

B

Q

]

[

8

,

6

kW

N

i

U

Q

h

s

m

=

−

⋅

⋅

=

η

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

Liczba obrotów silnika

S

tr

at

a t

ar

ci

a

- reszta strat:

Z bilansu

ciepła obliczyliśmy, że reszta strat wynosi Q

r

= 8,258 [kW]

Procentowy udział poszczególnych składowych bilansu

cieplnego silnika o zapłonie samoczynnym

21,8

1,6

20,2

1

25

30,4

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

1

Reszta strat

Strata tarcia
Strata niezupełnego spalania
Strata odlotowa
Strata chłodzenia
Moc użyteczna

3. Wnioski

Sprawność badanego przez nas silnika jest rzędu 21,6%, co jest wartością małą, lecz

dla leciwego już silnika wolnobieżnego jak najbardziej prawidłową. Tak jak spodziewaliśmy

się znaczną część strat stanowią straty tarcia oraz strata odlotowa. W porównaniu do całości

bilansu znikome są za to straty spalania niezupełnego oraz straty chłodzenia. Te pierwsze

zestawione z odczytanym przez nas z wykresu Ostwalda współczynnikiem nadmiaru

powietrza mogą świadczyć o tym, że spalanie w silniku było prawie zupełne.

Niespodziewanie duże wyszły natomiast z bilansu cieplnego inne straty, co przynajmniej

częściowo można uzasadnić niedokładnością odczytów podczas ćwiczenia oraz późniejszych

obliczeń.