1

Wskaźniki pracy silnika – temat 6 (4)

a/ definicje i sposoby określenia:

•

momentu obrotowego,

•

prędkości obrotowej,

•

ś

redniego ciśnienia indykowanego i użytecznego,

•

mocy indykowanej i użytecznej,

•

sprawności indykowanej, mechanicznej i ogólnej,

•

jednostkowego zużycia paliwa i ciepła.

b/ bilans cieplny i wykres Sankeya silnika okrętowego,

Wielkości charakteryzujące silnik.

Wielkościami charakteryzującymi silnik spalinowy nazywamy wielkości liczbowe stanowiące podstawę oceny i klasyfikacji

silnika pod względem konstrukcyjnym i eksploatacyjnym.

Dzielimy je na:

Wskaźniki energetyczne:

–

prędkość obrotowa,

–

moc,

–

ś

rednie cisnienie indykowane lub efektywne

czyli mające charakter wskaźników nominalnych,

a ponadto:

–

moment obrotowy,

–

sprawność lub jednostkowe zużycie paliwa,

które są wskaźnikami ekonomicznymi, umożliwiającymi ocenę stopnia wykorzystania doprowadzonego do silnika paliwa w

procesie zamiany w energię mechaniczną, wskazują także źródła strat.

Wskaźniki porównawcze, które określają nam:

-

obciążenia mechaniczne i cieplne,

2

-

wykorzystanie powierzchni i przestrzeni roboczej oraz masy silnika,

-

walory użytkowe.

Wskaźniki eksploatacyjne określające własności silnika pod względem ruchowym i użytkowym:

-

zakres dopuszczalnego przeciążenia,

-

okresy przeglądów profilaktycznych i międzynaprawczych,

-

stopień niezawodności.

Wskaźniki energetyczne:

Prędkość obrotowa

– jest to liczba obrotów wału korbowego w jednostce czasu

n [obr/min]; n[obr/s]

Prędkość obrotowa i moc silnika stanowią podstawę wyznaczenia głównych wymiarów silnika.

Max. prędkość obr. silników okrętowych wynosi 1500 obr/min – jest ograniczona przebiegiem procesu cieplnego z

uwagi na skrócenie procesu spalania mieszanki.

Znamionowa lub nominalna prędkość obrotowa silnika

n

n

–

prędkość obrotowa silnia obciążonego momentem

znamionowym rozwijającym moc znamionową.

Rozruchowa prędkość obrotowa – najmniejsza prędkość obrotów umożliwiająca inicjację procesu roboczego.

Minimalna prędkość obrotowa – najmniejsza prędkość, z jaką silnik może pracować, wynosi ok. 30 %

n

n

Eksploatacyjna prędkość obrotowa – wzór 3.2, prędkość, z którą pracuje silnik w normalnych warunkach

eksploatacyjnych – mniejsza od prędkości znamionowej,

___

n

e

= n

n

·

3

√√√√

e

[obr/min]

gdzie: e – stopień eksploatacyjnego obciążenia silnika,

N

e

e =















N

n

Ne – moc eksploatacyjna.

Nn – mac nominalna,

3

Stopień eksploatacyjnego obciążenia silnika wynosi 0,85-0,92 ( średnio 0,9).

Maksymalna prędkość obrotowa – największa prędkość wyznaczona przez producenta i zwykle wynosi

≤

1,1 n

n,

mierzona bezpośrednio obrotomierzem ( tachometrem) lub obliczana ze wskazań licznika obrotów.

Obrotomierze (mechaniczne i elektryczne) – wskazują chwilową prędkość obrotową wału:

•

Mechaniczne: działają na zasadzie zależności siły bezwładności masowej od prędkości obrotowej (

elementem czynnym jest wirujący bezwładnik),

•

Elektryczne; napięciowe składające się z prądnicy tachometrycznej i odbiornika będącego woltomierzem z

wyskalowana tarcza w jednostkach prędkości.

Liczniki obrotów – sumują i rejestrują kolejne obroty wału korbowego i służą do wyliczania średniej prędkości

obrotowej w czasie

ττττ

.

α

αα

α

n

n

sr

=















[

obr/min

]

gdzie;

α

αα

α

n –

ilość obrotów wskazana przez licznik.

ττττ

Moc silnika – indykowana i użyteczna

Pracę wykonaną przez silnik nazywa się praca indykowana L

i

a odpowiadającą tej pracy moc – mocą indykowaną

N

i

.. Silnik wykonuje część pracy na tzw. potrzeby własne ( opory ruchu, napęd mechanizmów).

Praca indykowana pomniejszona o pracę na „potrzeby własne” nazywa się pracą efektywną L

e

a odpowiadająca jej

moc – mocą efektywną N

e

.

Moc indykowana Ni – jest mocą, jaką w ustalonych warunkach pracy rozwija czynnik roboczy w przestrzeniach

roboczych silnika.

4

L

i

Moc jednego cylindra N

1i

wynosi

N

1i

=





















[kW]

1000·

ττττ

gdzie:

L

i

– praca indykowana cylindra [J];

ττττ

- czas wykonania pracy L

i

[s].

Pracę wykonaną podczas jednego cyklu roboczego wylicza się z zależności:

L

i

= F

t

· p

i

·S [J]

gdzie:

F

t

– powierzchnia tłoka;

p

i

– średnie cisnienie indykowane [N/m

2

],[P];

S– skok tłoka [m];

60

Czas

ττττ

[s] jednego cyklu roboczego wynosi

ττττ

=





















[s]

n· z

gdzie:

n- prędkość obrotowa [obr/min]

z-liczba zapłonów w cylindrze nz jeden obrót wału korbowego:

•

dla silników dwusuwowych z = 1,

•

dla czterosuwowych z = ½,

Moc indykowana jednego cylindra:

N

1i

= c· p

i

·n [

kW

]

V

s

·z

gdzie

c- stała cylindra

c =



























60 · 10

3

V

s

– objętość skokowa [m

3

]

V

S

= F

t

·S

5

Moc indykowaną Ni silnika i cylindrowego oblicza się jako sumę mocy indykowanej poszczególnych cylindrów

N

i

= N

1i

+ N

2i

+ ............+ N

ii

Moc użyteczna (efektywna) – jest to moc, jaką silnik w ustalonych warunkach przekazuje odbiornikowi mocy.

Moc efektywną mierzy się na sprzęgle (kołnierzu) wału korbowego.

Jest ona mniejsza od mocy indykowanej o moc równoważną stratom mechanicznym N

r

L

e

N

e

= N

i

– N

r

[kW]

lub

N

e

=















[kW]

1000 ·

ττττ

gdzie: Le – praca efektywna [J];

ττττ

- czas wykonania pracy Le [s].

Jeżeli wał korbowy przenosi moment obrotowy to praca efektywna

L

e

= M

o

·

αααα

n

[Nm];[J]

a więc

M

o

·n

N

e

≈≈≈≈

































[kW]

9,55 ·10

3

Moc efektywna

N

e

= N

i

·

ηηηη

m

=

C· n· p

i

·

ηηηη

m

[kW]

gdzie:

p

i

·

ηηηη

m =

p

e

nazywa się średnim ciśnieniem efektywnym

a więc

Ne = C· p

e

·n

[kW]

6

gdzie:

C – stała silnika

C = c· i

i –

ilość cylindrów

V

s

· z

c- stała cylindra

c =



























6

0 · 10

3

V

s

objętość cylindra

V

S

= F

t

·S

Uwzględniając zużycie paliwa przez silnik, moc efektywna

G

e

·W·

ηηηη

e

N

e

=



























[kW]

3600

gdzie:

G

e

- masa paliwa zużywanego przez silnik

G

e

= g

w

·n·z·60

[kg/h]

;

G’[g/h];

W – wartość opałowa paliwa

i dla paliwa umownego W

o

wynosi 10.000 kcal /kg lub 41868 kJ/kg

n- prędkość obrotowa [obr/min]

z-liczba zapłonów w cylindrze nz jeden obrót wału korbowego:

•

dla silników dwusuwowych z = 1,

•

dla czterosuwowych z = ½,

g

w

– ilość paliwa wtryskiwana w jednym cyklu oraz ilości wtrysków w ciągu godziny.

ηηηη

e

–

sprawność ogólna silnika

(zwana sprawnością efektywną) =

ηηηη

i

·

ηηηη

m

=

ηηηη

i

·

ηηηη

m

·

ηηηη

g

7

Moc nominalna (znamionowa) Nn – moc odpowiadająca założeniom projektowym lub użyteczna, jaką silnik rozwija

w warunkach znamionowych.

Moc trwała (eksploatacyjna) – największa moc użyteczna, jaka silnik może rozwijać w warunkach stałego

obciążenia ( 85-90 % mocy nominalnej).

Moc maksymalna – największa moc użyteczna, jaką silnik może rozwijać w określonym czasie ( 15-60 minut) i

wynosi 1,1 N

n

Ś

rednie ciśnienie indykowane – p

i

.

Ś

rednim ciśnieniem indykowanym p

i

nazywa się takie stałe, zastepcze (obliczeniowe) ciśnienie czynnika

roboczego, które działając na tłok podczas suwu pracy, wykonałoby taka samą pracę indykowaną

L

i

., jak zmienne

cisnienie rzeczywiste w jednym cyklu pracy.

Najważniejszym etapem obliczania mocy indykowanej jest obliczenie średniego ciśnienia indykowanego

p

i

w

oparciu o wykres indykatorowy uzyskany indykatorem mechanicznym lub elektronicznym.

Dysponując wykresem indykatorowym , którego pole powierzchni wynosi F

i

[mm

2

], a długość l

i

[mm],

ś

rednie ciśnienie indykowane oblicza się wg wzoru:

F

i

p

i

=



[mm/Nm

2

]; [Pa]

l

i

·f

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 l

i

i polu F

i

wykresu indykatorowego – wyznaczonemu przez planimetrowanie.

8

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- porównanie wykresów porównawczego i indykatorowego i jest to

stosunek ciepła Q

i

równoważnego pracy indykowanej L

i

do ilości ciepła Q = Q

1

-Q

2

równoważnego pracy L

t

obiegu

porównawczego:

L

i

ηηηη

g

=

































ηηηη

t

·Q

1

Ponieważ praca obiegu jest proporcjonalna do pola obiegu, dlatego

ηηηη

g

można przedstawić stosunkiem pól wykresu

indykowanego i porównawczego:

F

i

ηηηη

g

=



























F

t

Ś

rednie ciśnienie efektywne. Straty mechaniczne.

Moc oddawana odbiornikowi mocy

N

e

jest mniejsza od mocy indykowanej o moc

N

r

zwana mocą oporów ruchu,

równoważną startom mechanicznym ( straty tarcia i napędu mechanizmów własnych).

Sprawność mechaniczna

N

e

ηηηη

m

=















N

i

a więc

N

e

= N

i

·

ηηηη

m

=

C· p

i

·

ηηηη

m ·

n

gdzie:

p

i

·

ηηηη

m =

p

e

nazywa się średnim ciśnieniem efektywnym.

9

Moment obrotowy – Mo.

M

o

≈≈≈≈

9,55 · 10

3

·C· p

e

= C’· p

e

[Nm]

gdzie:

C’ = 9,55 · 10

3

·C

;

p

e

– średnie ciśnienie efektywne [Pa]

Moment obrotowy silnika mierzymy hamulcem wodnym ( w warunkach stacji prób) lub torsjometrem

(momentomierzem) – w warunkach statkowych (pomiar kąta skręcenia wału) – rys.3.8; rys.3.9.

Zależność kąta skręcenia od momentu skręcającego wyraża wzór:

M

o

l

φ

= ————

[ rad]

G I

o

gdzie:

M

o

– moment skręcający [Nm}

l – długość skręcanego odcinka wału [m]

G – moduł sprężystości postaciowej materiału wału [N / m

2

]

I

o

– biegunowy moment przekroju skręcającego [ m

4

]

Podstawiając za iloraz:

G I

o

s = ————

[ rad] - tzw. sztywność skrętną wału

l

otrzymamy wzór na moment skręcający Mo = s

.

φ

[Nm]

10

Sprawność indykowana, mechaniczna i ogólna.

Tylko część energii doprowadzanej w paliwie zamienia się na energię mechaniczną.

Oceny strat dokonuje się na podstawie:

1.

sprawności teoretycznej

ηηηη

t

- jest miara wykorzystania energii cieplej doprowadzonej w obiegu teoretycznym,

2.

stopnia wypełnienia wykresu porównawczego

ηηηη

g

= Fi / Ft określający podobieństwo termodynamiczne procesu

rzeczywistego do przyjętego obiegu porównawczego.

3.

sprawności indykowanej (

ηηηη

i

=

ηηηη

t

.

ηηηη

g

)

–

określa wykorzystanie energii cieplnej podczas procesu rzeczywistego,

4.

sprawności mechanicznej

ηηηη

m

, która określa, jaką część mocy indykowanej silnik przekazuje odbiornikowi mocy.

5.

sprawności ogólnej (efektywnej)

ηηηη

e

= Q

e

/ Q

d

określający miarę wykorzystania przez silnik energii cieplnej

doprowadzonej w paliwie (

ηηηη

e

=

ηηηη

i

.

ηηηη

m

=

ηηηη

t

.

ηηηη

g

ηηηη

m

) wynoszącej:

( 0,38 – 0,55 )

dla silników wolnoobrotowych,

( 0,38 – 0,50 )

dla silników średnioobrotowych,

( 0,35 – 0,42 )

dla silników szybkoobrotowych.

11

Jednostkowe zużycie paliwa i ciepła

Wskaźnikiem oceny ekonomiczności silnika, obok sprawności ogólnej jest jednostkowe zużycie paliwa, czyli masa

paliwa zużywana przez silnik na jednostkę wytwarzanej energii.

g

e

= G

e

/ N

e

[kg/kWh] lub

g’

e

= G’

e

/ N

e

[g/kWh]

Jednostkowe zużycie paliwa zależy od sprawności ogólnej i wartości opałowej paliwa.

Zmienia się wraz ze stopniem obciążenia silnika .

Bilans cieplny i wykres Sankeya silnika okrętowego.

Tylko część energii Qd doprowadzonej do silnika w postaci paliwa zamienia się w energię mechaniczną

L

e

= Q

e

,

reszta w ilości

Q

s

stanowi tzw. straty.

Równanie bilansu cieplnego można napisać w postaci:

Q

d

= Q

e

+ Q

s

[kJ]