POLITECHNIKA WARSZAWSKA INSTYTUT TECHNIKI CIEPLNEJ	LABORATORIUM TERMODYNAMIKI Sprawozdanie z ćwiczenia	2 Zespół
Nazwiska i imiona studentów	Andrzejewski Aleksander, Kopiczko Rafał, Kalbarczyk Krzysztof, Kuśmierek Paweł, Milcarz Marek, Szwaja Magdalena, Borowiec Andrzej, Danieluk Filip, Juchniewicz Artur, Sowa Jakub, Zagrajek Emilia, Banasik Krzysztof
2014/2015	MEiL	3
Rok ak.	Wydział	Semestr

Sprawozdanie - Laboratorium nr 6

Bilans cieplny silnika z zapłonem samoczynnym

1. Cel oraz opis ćwiczenia :

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie głównych składników bilansu energetycznego silnika o zapłonie samoczynnym oraz porównanie wyników badań z założeniami teoretycznymi.

1. Wstęp teoretyczny :

Silnik wysokoprężny (potocznie zwany silnikiem Diesla) jest silnikiem tłokowym, charakteryzującym się tym, że zapłon wtryśniętej mieszanki paliwa z powietrzem następuje samoczynnie na skutek wysokiej temperatury sprężonego gazu. Jako paliwo używany jest olej napędowy (ciężkie paliwo ciekłe). Właściwości tego paliwa pozwalają na uzyskiwanie w silnikach Diesla wyższych stopni sprężania niż w silniku benzynowym, równych nawet ponad 20.

Pierwsze silniki ZS pracowały w ten sposób, że paliwo było wtryskiwane przez strumień sprężonego powietrza, spalanie odbywało się więc powoli. Do opisu teoretycznego obiegu używano wtedy obiegu Diesla (od nazwiska wynalazcy tego typu silnika); obieg ten składa się z dwóch izentrop (sprężania i rozprężania), izochory, zaś ciepło dostarczane jest izobarycznie.

W późniejszych rozwiązaniach zastosowano specjalne pompki wtryskowe, pozwalające na bardzo dobre rozpylenie paliwa i wymieszanie z powietrzem, co umożliwia szybszy przebieg spalania. W związku z tym zaobserwowano, że linia stałego ciśnienia nie oddaje w sposób prawidłowy przebiegu spalania i zaproponowano obieg Sabathégo, gdzie doprowadzanie ciepła następuje częściowo według izochory a częściowo według izobary.

Obieg Sabathégo składa się z izentropy sprężania 1-2, izochory 2-3, izobary 3-4, ilustrujących doprowadzanie ciepła do obiegu, izentropy rozprężania 4-5 oraz izochory 5-1, ilustrującej odprowadzanie ciepła od obiegu. Pole obiegu we współrzędnych p-V przedstawia pracę teoretyczną obiegu.

TEORETYCZNY OBIEG DIESLA (p-V) TEORETYCZNY OBIEG SABATHE’A (p-V)

1. Porównanie rzeczywistego obiegu silnika ZS z obiegiem teoretycznym :

Rzeczywisty obieg silnika ZS znacznie różni się od obiegu teoretycznego. Największe różnice to :

• W silniku rzeczywistym czynnikiem roboczym jest najpierw mieszanka powietrza z paliwem, następnie zaś spaliny. Właściwości tego czynnika ulegają więc zmianie w czasie wykonywania obiegu, gdyż zmienia się jego charakter chemiczny oraz nie jest on gazem doskonałym.

• Spalanie nie jest doskonałe; może mieć częściowo charakter niezupełny, ponadto ma ono inny przebieg niż zakładany w obiegu teoretycznym - nie można go opisać przemianą izochoryczną i izobaryczną.

• Proces spalania rozpoczyna sie przed osiągnięciem górnego martwego punktu, zaś jego koniec ma miejsce przy znacznie większej objętości niż to wynika z wykresu teoretycznego.

• Z powodu chłodzenia cylindra silnika, zarówno przemiana sprężania jak i rozprężania nie są adiabatami, bo zachodzi w nich wymiana ciepła. Nie są to także przemiany odwracalne.

• W silniku czterosuwowym zachodzi konieczność wytłaczania spalin przy ciśnieniu większym od atmosferycznego oraz zasysania powietrza pry ciśnieniu niższym od atmosferycznego, bo pokonać opory przepływu. Powoduje to konieczność wykonania dodatkowej pracy zmniejszającej pracę teoretyczną.

Rzeczywisty obieg silnika diesla

1. Składniki bilansu cieplnego :

Można wyprowadzić dwa bilanse energetyczne silnika. Pierwszy, zwany wewnętrznym na następującą postać :

Q_d = Q_i + Q_r + Q_ch + Q_o + Q_nz

Drugi bilans, zwany zewnętrznym ma postać :

Q_d = Q_r + Q_u + Q_m + Q_ch + Q_o + Q_nz

Gdzie: Q_d - Moc cieplna dostarczone w paliwie, Q_i - Moc indykowana, Q_ch - Moc straty chłodzenia, Q_o - Moc straty wylotowej, Q_nz - Moc straty niezupełnego spalania, Q_r - reszta strat, Q_u - Moc użyteczna, Q_m - straty mechaniczne (tarcie).

Przedmiotem badań jest bilans zewnętrzny.

1. Sposób zbierania pomiarów oraz wyznaczanie składników zewnętrznego bilansu cieplnego :

Silnik włączono i obciążono hamulcem wodnym. Po około 10 minutach pracy silnika wskazania przyrządów pomiarowych się ustabilizowały; zebrano pomiary. Następnie za pomocą kurka trójdrożnego zmieniono źródło paliwa na przezroczysty zbiornik pomiarowy, gdzie na podstawie podziałki i pomiaru czasu oszacowano pobór paliwa. Następnie silnik zgaszono i napędzono go silnikiem elektrycznym z zewnątrz celem oszacowania strat mechanicznych tarcia w silniku.

1. Doprowadzona moc cieplna

Zależność opisująca moc cieplną spalonego paliwa ma postać :

Q_d = BW_u

Gdzie : W_u - Wartość opałowa paliwa ; W_u = 40 MJ/kg, B - Masowe zużycie paliwa [kg/s].

Celem wyznaczenia B zmierzono czas t spalenia v = 100 ml paliwa o gęstości g = 830 kg/m³. Czas t = 152 s (z dokładnością do 1 s). Można zapisać zależność :

$$B = \frac{\text{gv}}{t}$$

Z której otrzymamy wynik B = 5.46 x 10^-4 kg/s. Wtedy Q_d = 21.842 kJ/s

1. Moc użyteczna

Odczytując wskazanie hamulca wodnego P oraz prędkość obrotową n możemy wyliczyć moc użyteczną N_u z zależności :

$$N_{u} = \frac{\text{Pn}}{8720}$$

Wskazanie hamulca wodnego pełniącego role obciążenia dla silnika wyniosło P = 30 zaś wskazanie obrotomierza n = 1240 obr/min. Wstawiając wartości pomiarów do zależności uzyskujemy wynik N_u = 4.266 kJ/s.

1. Strata chłodzenia

Chłodzenie silnika odbywa się za pomocą wody która płynąc w pierwotnym obiegu zamkniętym chłodzona jest w dodatkowej chłodnicy wodnej. Moc straty chłodzenia opisuje wzór :

Q_ch = m_wc_w(t_w2−t_w1)

Wydatek ṁ_w obliczamy na podstawie wskazań rotametru. Odczyt z rotametru to 592 l/h co po przeliczeniu daje ṁ_w = 0.164 kg/s. Ciepło właściwe wody c_w = 4.19 kJ/(kgK), zaś temperatury wynoszą odpowiednio t_w2 = 50°C i t_w1 = 45°C - na podstawie odczytu z termometrów umieszczonych w miejscu wlotu i wylotu wody do silnika.

Podstawiając dane do zależności otrzymamy wynik Q_ch = 3.436 kJ/s.

1. Strata wylotowa

Wylatujące do otoczenia spaliny mają temperaturę wyższą od temperatury otoczenia - różnica entalpii właściwych spalin w tych dwóch temperaturach jest dla nas stratą. Stratę wylotową można obliczyć ze wzoru :

$$Q_{o} = B\left\{ \frac{g_{H}}{2}\left\lbrack i(T_{s}) - i(T_{0}) \right\rbrack_{H_{2}O} + \ \frac{g_{C}}{12(r_{\text{CO}_{2}} + r_{\text{CO}})}\sum_{j = 1}^{4}{r_{j}\left\lbrack i(T_{s}) - i(T_{0}) \right\rbrack_{j}} \right\}$$

Wartości udziałów masowych g_H i g_C dla naszego paliwa przyjmujemy odpowiednio 0.13 i 0.85, wartość B jest już znana, wartości T_s oraz T₀ zmierzono za pomocą termometrów, wartości entalpii właściwych od temperatur odczytano z wykresu Oswalda

Obliczona ze wzoru wartość straty Q_o = 3.157kj/s

1. Strata niezupełnego spalania

Strata niezupełnego spalania polega na tym, że węgiel obecny w paliwie spala się do tlenku węgla CO zamiast do dwutlenku węgla CO₂. Z takiego spalania otrzymuje się mniej energii, gdyż W_uCO jest o 10 MJ mniejsza od W_uCO2 a tlenek węgla jest szkodliwy dla środowiska. Niezupełne spalanie można poznać po obecności CO w spalinach. Strata ta wynosi :

$$Q_{\text{nz}} = B\frac{g_{C}}{12}\frac{r_{\text{CO}}}{r_{\text{CO}} + r_{CO_{2}}}W_{\text{uCO}}$$

Wartości udziałów objętościowych oraz udziału masowego węgla wynoszą : g_c = 0.85, r_CO =0,045, r_CO2 = 0,08. Wartości B oraz W_uCO są nam już znane.

Podstawiając dane do wzoru otrzymujemy Q_nz = 0.557 kJ/s.

1. Strata tarcia

Wartość straty tarcia została wyznaczona drogą pomiaru mocy niezbędnej do napędu badanego silnika z zewnątrz silnikiem elektrycznym tak, by utrzymywał założoną prędkość obrotową. Z powodu zasprzęglenia wału silnika z wałem hamulca wodnego od mocy silnika elektrycznego odejmujemy moc biegu hamulca nieobciążonego. Stąd strata tarcia opisana jest wzorem :

Q_m = P_Sη_S − N_h

Gdzie moc silnika elektrycznego P_s = 8,64kW, sprawność tego silnlika η_s = 0.94 a moc biegu hamulca wodnego N_h = 0.213 kW. Stąd Q_m = 7.9kJ/s. W przypadku, gdy nie ma możliwości osiągnięcia zadanych obrotów, stratę należy wyznaczyć poprzez interpolację lub ekstrapolację.

1. Reszta strat

Resztę strat, na przykład wymiana ciepła pomiędzy blokiem silnika i otoczeniem przez promieniowanie, jest obliczana z bilansu zewnętrznego i zwykle jest wielkości błędu pomiarowego. Ich wartość to

Q_r = Q_d − (Q_u + Q_m + Q_ch + Q_o + Q_nz)

Obliczona wartość Q_r =2.526

1. Wnioski :

• Z powodu niedokładności przyrządów pomiarowych, oraz czynników ludzkich wszystkie pomiary obarczone są pewnymi niedokładnościami pomiarowymi.

• Podczas pracy silnik wytwarza duży hałas, przez co konieczne było noszenie ochronników słuchowych podczas badania w laboratorium.