ZESPOŁY NAP
Ę
DOWE I
Wykład nr 3
ZESPOŁY NAP
Ę
DOWE I
Wykład nr 3
Obieg termodynamiczny dla silnika o zapłonie
samoczynnym
2
• obieg powietrzny (gaz jest medium roboczym)
• obieg otwarty
• obieg jest przybliżany obiegiem Diesla
• przyjęte uproszczenia:
gaz roboczy powietrze
stała masa gazu
gaz jest idealny (stosujemy r-nie stanu)
wdech i wydech jest pomijany
spalanie zastąpiono dostarczeniem ciepła z zewnętrznego źródła
ciepło jest dostarczone natychmiast, przy stałym ciśnieniu
ciepło jest odebrane natychmiast, przy stałej objętości
sprężanie i rozprężanie jest idealne (izentropowe)
stała wartość ciepła właściwego
OBIEG DIESLA
2
1
V
V
=
ε
Stosunek spr
ęż
ania - spr
ęż
Stopie
ń
obci
ąż
enia
2
3
2
3
T
T
V
V
=
=
ϕ
Zachodz
ą
zwi
ą
zki
2
3
1
2
p
p
p
p
k
=
⋅
=
ε
ϕ
ε
⋅
=
⋅
=
−
2
3
1
1
2
T
T
T
T
k
T
R
V
p
const
V
p
k
⋅
=
⋅
=
⋅
1
4
3
4
3
−
⋅
=
⋅
=
k
k
T
T
p
p
ϕ
ε
ϕ
ε
k
T
T
V
V
ϕ
⋅
=
=
1
4
4
1
0
5
10
15
20
25
30
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
V [litr]
p
[
b
a
r]
1
2
4
Q
41
Q
32
3
Q
32
– ciepło dostarczone przy stałej ci
ś
nieniu
Q
41
– ciepło odebrane przy stałej obj
ę
to
ś
ci
Obieg Diesla – sprawno
ść
obiegu
23
41
23
41
23
23
1
Q
Q
Q
Q
Q
Q
L
o
Diesel
−
=
−
=
=
η
(
)
(
)
1
4
41
2
3
23
T
T
c
m
Q
T
T
c
m
Q
v
p
−
⋅
⋅
=
−
⋅
⋅
=
(
)
(
)
(
)
(
)
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2
3
1
4
1
1
1
1
1
1
1
−
−
−
⋅
−
⋅
−
⋅
⋅
−
=
⋅
−
⋅
⋅
−
⋅
⋅
−
=
−
⋅
−
⋅
−
=
k
k
k
k
k
v
p
Diesel
T
T
k
T
T
T
T
k
T
T
c
T
T
c
ε
ϕ
ϕ
ε
ε
ϕ
ϕ
η
(
)
(
)
1
1
1
1
1
−
⋅
−
−
⋅
−
=
k
k
Diesel
k
ε
ϕ
ϕ
η
k
c
c
R
c
c
v
p
p
v
=
−
=
Obieg Sabathe – obieg uniwersalny
5
• obieg powietrzny (gaz jest medium roboczym)
• obieg otwarty
• obieg jest przybliżany obiegiem
Sabathe
• przyjęte uproszczenia:
gaz roboczy powietrze
stała masa gazu
gaz jest idealny (stosujemy r-nie stanu)
wdech i wydech jest pomijany
spalanie zastąpiono dostarczeniem ciepła z zewnętrznego źródła
ciepło jest dostarczone natychmiast, częściowo przy
stałej
objętości
a częściowo przy
stałym ciśnieniu
ciepło jest odebrane natychmiast, przy
stałej objętości
sprężanie i rozprężanie jest idealne (izentropowe)
stała wartość ciepła właściwego
OBIEG SABATHE
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
V [litr]
p
[
b
a
r]
1
5
Q
51
Q
43
Q
32
2
3
4
2
1
V
V
=
ε
Stosunek spr
ęż
ania - spr
ęż
Izochoryczny wzrost ci
ś
nienia
lub temperatury
2
3
2
3
T
T
p
p
=
=
α
Stopie
ń
obci
ąż
enia
3
4
3
4
T
T
V
V
=
=
ϕ
(
)
(
)
(
)
1
1
1
1
1
1
−
+
⋅
⋅
−
−
⋅
⋅
−
=
−
α
α
ϕ
ϕ
α
ε
η
k
k
k
Sabathe
Q
32
– ciepło dostarczone przy stałej obj
ę
to
ś
ci
Q
43
– ciepło dostarczone przy stałym ci
ś
nieniu
Q
51
– ciepło odebrane przy stałej obj
ę
to
ś
ci
OBIEG RZECZYWISTY
7
• ładunek cylindra nie jest gazem doskonałym;
• ciepło wła
ś
ciwe czynnika roboczego jest zmienne i zale
ż
y od temperatury i
chemicznego składu czynnika, który si
ę
zmienia w trakcie obiegu;
• przemiany termodynamiczne czynnika roboczego nie s
ą
adiabatyczne, ładunek
w cylindrze wymienia ciepło z otoczeniem;
• doprowadzenie ciepła polega na jego wydzieleniu wewn
ą
trz cylindra wskutek
procesu spalania ze sko
ń
czon
ą
pr
ę
dko
ś
ci
ą
;
• zmienia si
ę
skład chemiczny ładunku cylindra;
• podczas ka
ż
dego obiegu doprowadzany jest z zewn
ą
trz
ś
wie
ż
y ładunek;
• odprowadzanie ciepła nast
ę
puje głównie poprzez odprowadzanie gor
ą
cych
spalin na zewn
ą
trz cylindra;
• wymian
ę
ładunku (napełnianie i usuwanie spalin) utrudniaj
ą
opory zaworów.
OBIEG RZECZYWISTY CD.
8
• proces ssania i wylotu przebiegaj
ą
przy zmiennym ci
ś
nieniu;
• zapłon mieszanki nast
ę
puje podczas procesu spr
ęż
ania, jeszcze przed
doj
ś
ciem tłoka do GMP;
• spr
ęż
anie nast
ę
puje w dalszym ci
ą
gu oraz rozwija si
ę
„powoli” proces
spalania;
• ci
ś
nienie maksymalne uzyskiwane jest pod koniec procesu spalania
(zazwyczaj 10÷15˚ po GMP) w przeciwie
ń
stwie do obiegu teoretycznego;
• warto
ść
maksymalnego ci
ś
nienia jest ok. 15÷20% mniejsza od
teoretycznego na skutek tego
ż
e koniec procesu spalania odbywa si
ę
przy
wzrastaj
ą
cej obj
ę
to
ś
ci oraz na skutek strat mechanicznych;
• pod koniec procesu rozpr
ęż
ania nast
ę
puje otwarcie zaworu wylotowego
jeszcze zanim tłok osi
ą
gnie DMP, skutkiem czego jest mniejsze ci
ś
nienie ni
ż
w obiegu teoretycznym
OBIEG RZECZYWISTY – SILNIK CZTEROSUWOWY
9
Z
– zapłon;
PW – pocz
ą
tek wydechu (47÷75° przed DMP lub ZW);
KW – koniec wydechu (20÷40° po GMP lub ZZ);
PN – pocz
ą
tek napełniania (20÷40° przed GMP lub ZZ);
KN – koniec napełniania (50÷70° po DMP lub ZW)
1-2 – przemiana politropowa (spr
ęż
anie, zmienne ciepło
wła
ś
ciwe, wymiana ciepła, parowanie paliwa) a
ż
do
zapłonu;
2-3 – spalanie (w wyniku wzrostu obj
ę
to
ś
ci, tłok idzie do
dołu koniec spalania nast
ę
puje na pocz
ą
tku suwu pracy,
spalanie zaczyna si
ę
zaraz od momentu zapłonu);
3-4 – przemiana politropowa (rozpr
ęż
anie do chwili
otwarcia zaworu wylotowego, ci
ś
nienie jest ni
ż
sze ni
ż
wynikałoby z politropy rozpr
ęż
ania);
Porównanie obiegów rzeczywistych: silnik doładowany i
niedoładowany
10
a – silnik niedoładowany;
b – silnik doładowany
Przykłady niewła
ś
ciwego ustawienia k
ą
ta wyprzedzenia
zapłonu
11
Powoduje to:
- podwy
ż
szenie ci
ś
nienia jeszcze przed
osi
ą
gni
ę
ciem GMP;
- nadmierne obci
ąż
enie silnika;
- nieregularno
ść
pracy silnika;
- mo
ż
liwo
ść
wyst
ą
pienia spalania stukowego
ze zbyt pó
ź
nym zapłonem
ze zbyt wczesnym zapłonem
Powoduje to:
- wi
ę
kszo
ść
mieszanki spala si
ę
zbyt pó
ź
no i
coraz wolniej;
- szczytowe ci
ś
nienie i temperatura jest małe;
- spalanie trwa długo, w zwi
ą
zku z czym du
żą
ilo
ść
ciepła przejmuj
ą
elementy konstrukcyjne
silnika i ulega on przegrzewaniu;
SPALANIE STUKOWE
12
Spalanie
stukowe
czasami
zwane
detonacyjnym prowadzi do
• nadmiernego obci
ąż
enia układu korbowego;
• nieregularno
ś
ci pracy;
• nadmiernego obci
ąż
enia mechanicznego
iskra
Front płomienia
Spr
ęż
any,
podgrzewany gaz
samozapłon ->
gwałtowne spalanie
SPALANIE STUKOWE
13
Konstrukcyjne sposoby zapobiegania spalaniu stukowemu:
• zmniejszenie stopnia spr
ęż
ania;
• modyfikacja ukształtowania przestrzeni spalania w głowicach cylindrów;
• stosowanie
ś
rodków zwi
ę
kszaj
ą
cych intensywno
ść
zawirowania
spr
ęż
anej mieszanki;
• usytuowanie
ś
wiecy zapłonowej w najbardziej obci
ąż
onym cieplnie
miejscu głowicy cylindra;
• zastosowanie dwóch lub wi
ę
cej
ś
wiec zapłonowych;
Eksploatacyjne metody zapobiegania spalaniu stukowemu:
• stosowanie benzyny o du
ż
ej liczbie oktanowej;
• wzbogacanie mieszanki palnej w okresach wyst
ę
powania sprzyjaj
ą
cych
warunków dla spalania stukowego;
• odpowiednie zmniejszenie k
ą
ta wyprzedzenia zapłonu;
• skracanie do minimum okresu pracy silnika z du
ż
ymi obci
ąż
eniami
zewn
ę
trznymi i małymi pr
ę
dko
ś
ciami obrotowymi.
PALIWA LOTNICZE
14
Wymagania stawiane benzynom lotniczym:
• du
ż
a odporno
ść
na spalanie stukowe (ze wzgl
ę
du na doładowanie silnika);
• niska temperatura krzepni
ę
cia, z uwagi na obni
ż
enie temperatury w miar
ę
wzrostu wysoko
ś
ci lotu (typowo 213÷223K);
• du
ż
a lotno
ść
, zapewniaj
ą
ca intensywne parowanie w niskich temperatura
lotu;
• mała pr
ęż
no
ść
par, co zmniejsza skłonno
ść
do tworzenia korków parowych
w instalacji;
• mo
ż
liwie mała aktywno
ść
chemiczna, co zmniejsza korozyjne działanie;
• warto
ść
opałowa jak najwi
ę
ksza (typowo 43÷45MJ/kg);
• g
ę
sto
ść
jak najwi
ę
ksza co pozwala zmniejszy
ć
gabaryty zbiorników (typowo
0,72÷0,76kg/dm
3
)
Zapotrzebowanie powietrza
15
Teoretyczne zapotrzebowanie powietrza L
t
jest to ilo
ść
powietrza potrzeba do
zupełnego i całkowitego spalenia jednostki masy lub obj
ę
to
ś
ci paliwa. Zale
ż
y ona
od rodzaju paliwa i jego składu.
Miernikiem rzeczywistej ilo
ś
ci doprowadzonego powietrza, jest współczynnik
nadmiaru powietrza oznaczany jako
αααα
lub
λλλλ
.
t
rz
L
L
=
λ
λ
< 1 – mieszaniny bogate
λ
> 1 – mieszaniny ubogie
Skład gazów spalinowych
PARAMETRY INDYKOWANE SILNIKA
17
Okre
ś
lane s
ą
z wykresu indykatorowego, który mo
ż
e zosta
ć
opracowany
analitycznie lub wyznaczony eksperymentalnie
Ci
ś
nienie
indykowane
–
ś
rednie
ci
ś
nienie (umowne) działaj
ą
ce na tłok
podczas suwu zmusza silnik do wykonania
pracy indykowanej obiegu
p
i
= 9÷11bar (silniki niedoładowane)
p
i
= 13÷21bar (silniki doładowane)
PARAMETRY EFEKTYWNE SILNIKA
18
S
ą
to parametry odniesione do mocy rozwijanej przez silnik na wale
ś
migła lub
wirnika no
ś
nego
P
e
= P
i
– P
opory
– P
sp
– P
st_r
P
e
– moc efektywna
P
i
– moc indykowania
P
opory
– moc oporów ruchu silnika
P
sp
– moc spr
ęż
arki doładowuj
ą
cej
P
st_r
– moc tracona w reduktorze
−
⋅
−
⋅
=
D
A
P
P
i
opory
62
.
7
1
1
A – współczynnik, zwykle 0,87÷0,93
D –
ś
rednica cylindra w [mm]
s
sp
l
m
P
⋅
=
o
m – wydatek masowy
l
s
– rzeczywista praca spr
ęż
ania spr
ęż
arki
(
)
reduktora
i
r
st
P
P
η
−
⋅
=
1
_
e
izentropow
k
k
o
s
T
R
k
k
l
η
π
1
1
1
1
⋅
−
⋅
⋅
⋅
−
=
−
PARAMETRY EFEKTYWNE SILNIKA CD.
19
n
V
P
p
s
e
e
⋅
⋅
=
120
Ci
ś
nienie efektywne
ω
ω
e
o
o
e
P
M
M
P
=
⇒
⋅
=
moment obrotowy
60
2
n
⋅
⋅
=
π
ω
V
s
– obj
ę
to
ść
skokowa silnika [m
3
]
n
– pr
ę
dko
ść
obrotowa silnika [obr/min]
ω
– pr
ę
dko
ść
obrotowa silnika [rad/s]
M
o
– moment obrotowy silnika [Nm]
P
e
– moc efektywna [W]
m
f
– wydatek masowy paliwa [kg/s]
b
j
– jednostkowe zu
ż
ycie paliwa [kg/W
.
h]
e
f
j
P
m
b
o
⋅
=
3600
jednostkowe zu
ż
ycie paliwa
τ
⋅
⋅
=
n
V
P
p
s
e
e
n[obr/s]
→
n[obr/min]/60
τ
=0,5 dla silników czterosuwowych
τ
=1 dla silników dwusuwowych
Tu wstawiamy warto
ść
obrotów wyra
ż
onych w obr/s
Zale
ż
no
ść
dla silnika czterosuwowego z uwzgl
ę
dnieniem
pr
ę
dko
ś
ci obrotowej w obr/min
n
V
P
p
s
e
e
⋅
⋅
=
60
Zale
ż
no
ść
dla silnika dwusuwowego z uwzgl
ę
dnieniem
pr
ę
dko
ś
ci obrotowej w obr/min
PARAMETRY SILNIKA
20
o
f
u
e
o
m
W
P
⋅
=
η
sprawno
ść
ogólna silnika
o
u
j
W
b
η
⋅
=
3600
a
mechaniczn
i
e
P
P
η
⋅
=
W
u
– warto
ść
opałowa paliwa [MJ/kg]
η
mechaniczna
– sprawno
ść
mechaniczna silnika [%]
η
o
– sprawno
ść
ogólna silnika [%]
Sprawno
ść
napełniania – mówi o efektywno
ś
ci napełnienia cylindra, jest to stosunek
masy powietrza rzeczywi
ś
cie wprowadzanego do cylindra do masy ładunku który
mógłby teoretycznie zosta
ć
wprowadzony
η
v
= 0,8÷0,9 – typowe warto
ś
ci dla silników niedoładowanych
η
v
= 1,15÷1,3 – typowe warto
ś
ci dla silników doładowanych
t
rz
v
m
m
=
η
⋅
⋅
=
s
kg
n
V
m
s
o
t
120
ρ
o
o
o
T
R
p
⋅
=
ρ
⋅
⋅
=
s
kg
n
V
m
s
o
t
60
ρ
Zale
ż
no
ść
dla silnika czterosuwowego z uwzgl
ę
dnieniem
pr
ę
dko
ś
ci obrotowej w obr/min
Zale
ż
no
ść
dla silnika dwusuwowego z uwzgl
ę
dnieniem
pr
ę
dko
ś
ci obrotowej w obr/min