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