Wykład - Tłokowe silniki spalinowe PDF

Preview

Summary

WEiP...

Description

©jacek smołka

Technika cieplna II / Tłokowe silniki spalinowe /

Jacek Smołka [email protected] www.itc.polsl.pl/smolka 1

©jacek smołka

Spis treści • Teoretyczny obieg Carnot • Informacje wstępne do analizy obiegów silników spalinowych • Obiegi tłokowych silników spalinowych • Obieg Otto • Obieg Diesela • Obieg mieszany (Sabathe-Seiligera) • Obieg Stirlinga • Obieg Ericssona • Silnik Wankla

2

©jacek smołka

Teoretyczny obieg Carnota

Cztery przemiany odwracalne: 1-2 izotermiczne doprowadzenie ciepła 2-3 izentropowe rozpręŜanie 3-4 izotermiczne odprowadzanie ciepła 4-1 izentropowe spręŜanie

3

©jacek smołka

Teoretyczny obieg Carnota Wzrost sprawności układu moŜna uzyskać poprzez zwiększenie średniej temperatury, przy której ciepło jest doprowadzane do układu albo poprzez obniŜenie temperatury, przy której ciepło jest z niego odprowadzane. MoŜliwy do zastosowania w silnikach, ale izotermiczny przepływ ciepła wymagałby stosowania bardzo duŜych wymienników ciepła. Poza tym typowy cykl pracy silnika przebiega w setnych częściach sekundy, czego nie da się zrealizować stosując obieg Carnota.

Carnot

1

min max

4

©jacek smołka

ZałoŜenia w analizie obiegów silników ZałoŜenia standardowego powietrza: • czynnikiem obiegowym jest powietrze krąŜące w zamkniętym układzie i jest gazem doskonałym • wszystkie procesy są wewnętrznie odwracalne • proces spalania jest modelowany jako proces doprowadzenia ciepła z zewnętrznego źródła • wyprowadzenie spalin jest modelowane jako proces odprowadzenia ciepła, czynnik po tym procesie powraca do parametrów wyjściowych Model powietrza standardowego, choć nieco odbiega od rzeczywistych obiegów pozwala na analizę wpływu głównych parametrów na wydajność rzeczywistych silników.

5

©jacek smołka

Silniki tłokowe - górny martwy punkt, w tej pozycji tłoka objętość w cylindrze jest najmniejsza - dolny martwy punkt, w tej pozycji tłoka objętość w cylindrze jest największa (ang. stroke) - odległość między TDC i BDC czyli maksymalny ruch tłoka w cylindrze ę ść ęŜ (ang. clearance volume) - objętość nad tłokiem w TDC ę ść (ang. displacement volume) - objętość między TDC i BDC

6

©jacek smołka

Silniki tłokowe ń ęŜ - stosunek maksymalnej (skokowej) do minimalnej (spręŜania) objętości cylindra

Ś

max

BDC

min

TDC

ś

Ŝ - teoretyczne ciśnienie, które jest wywierane na tłok podczas całego suwu pracy silnika. Im wyŜsza jego wartość, tym więcej energii/mocy produkuje silnik.

max

min

max

min

7

©jacek smołka

Silniki tłokowe Typy silników spalinowych ze względu na sposób zapłonu: 1. Z zapłonem iskrowym (obieg Otto) – zapłon mieszanki paliwowo powietrznej wywołany jest iskrą ze świecy zapłonowej 2. Z zapłonem samoczynnym (obieg Diesela) – zapłon mieszanki paliwowo powietrznej wywołany jest jej spręŜeniem powyŜej temperatury samozapłonu paliwa

8

©jacek smołka

4-suwowe silniki tłokowe ZI Tryb pracy silnika czterosuwowego z zapłonem iskrowym (ZI): 1. W okolicach TDC otwierany jest zawór wlotowy, tłok przesuwa się w dół w kierunku BDC i mieszanka paliwa z powietrzem wypełnia cylinder. 2. Przy zamkniętych obu zaworach tłok przesuwa się z BDC do TDC spręŜając mieszankę paliwowo powietrzną. TuŜ przed TDC następuje zapłon mieszanki za pomocą iskry ze świecy zapłonowej, co podwyŜsza ciśnienie i temperaturę. 3. Spaliny o wysokim ciśnieniu powodują przesunięcie się tłoka w kierunku BDC i obrót wału korbowego. 4. Po otwarciu zaworu wylotowego tłok przesuwa się w kierunku TDC usuwając spaliny z cylindra.

9

©jacek smołka

Teoretyczny obieg Otto

1-2 Izentropowe spręŜanie 2-3 Doprowadzenie ciepła przy stałej objętości 3-4 Izentropowe rozpręŜanie 4-1 Wyprowadzenie ciepła przy stałej objętości

10

©jacek smołka

Teoretyczny obieg Otto Bilans energii: in

out

in

out

Ciepło doprowadzone i wyprowadzone: in

3

out

(

2

4

(

1

3

2

4

)

1

)

Sprawność obiegu dla stałych wartości Otto Otto

1

out

in

1

( 2( 1

/ 3 / 4

in 1 2

1) 1)

1

4

1

3

2

:

©jacek smołka

Teoretyczny obieg Otto Sprawność obiegu dla stałych wartości

( 2( 1

1

Otto

/ 3 / 4

:

1) 1)

1 2

Przemiany 1-2 i 3-4 są izentropowe: 1 2

(

2

)

1

(

3

1

)

3

4

1

4

Ostatecznie sprawność obiegu dla stałych wartości : Otto

1

1 1

©jacek smołka

Teoretyczny obieg Otto Otto

1

1 1

Wzrost sprawności teoretycznego obiegu Otto następuje ze wzrostem stopnia spręŜania i wykładnika izentropy (podobnie jak dla rzeczywistych silników z zapłonem iskrowym). Przy > 8 wzrost sprawności jest coraz mniejszy. Ponadto przy wysokich stopniach spręŜania temperatura jest wyŜsza od temperatury samozapłonu paliwa.

13

©jacek smołka

Teoretyczny obieg Otto Otto

1

1 1

Dla danego stopnia spręŜania najniŜsze sprawności uzyskuje się dla gazów trójatomowych. Ponadto wykładnik izentropy = / spada ze wzrostem temperatury.

14

©jacek smołka

Rzeczywisty obieg Otto

Tryb pracy silnika czterosuwowego: 1. Suw ssania 2. Suw spręŜania 3. Suw pracy (rozpręŜania) 4. Suw wydechu Sprawność rzeczywistego obiegu (25-30 %) jest niŜsza od teoretycznego ze względu na niedoskonały proces spalania i tarcie.

15

©jacek smołka

2-suwowe silniki tłokowe ZI 1. Suw pracy - podczas końcowej części suwu pracy tłok odsłania okno wylotowe i spaliny w duŜej części opuszczają cylinder. Następnie tłok otwiera okno dolotowe i świeŜa mieszanka paliwowopowietrzna wpływa do komory wypychając resztki spalin. 2. Suw spręŜania - po napełnieniu cylindra mieszanka jest spręŜana przez tłok poruszający się w kierunku TDC. Wady: niŜsza sprawność niŜ w silnikach 4-suwowych, niecałkowite spalanie, częściowe odprowadzanie świeŜej mieszanki paliwa z powietrzem Zalety: prosta konstrukcja, duŜy współczynnik mocy do masy Zastosowanie: kosiarki, piły łańcuchowe, motorowery

16

©jacek smołka

2-suwowe silniki tłokowe ZI MoŜliwości ulepszenia: 1. Wtrysk silnie rozpylonego paliwa do komory cylindra w drugiej części suwu spręŜania, gdy okno wylotowe jest juŜ zamknięte, co powoduje, Ŝe paliwo jest lepiej spalone i nie przedostaje się do układu wydechowego. 2. Uwarstwione spalanie poprzez zapłon małej ilości bogatej mieszanki przy świecy zapłonowej i przesuwanie się płomienia w dół cylindra, gdzie mieszanka staje się coraz bardziej uboga. 3. Lepsze sterowanie procesem z zaleŜności od obciąŜenia silnika 17

©jacek smołka

Przykład 1 Określ maksymalną temperaturę i ciśnienie cyklu OTTO, pracę i sprawność obiegu oraz średnie ciśnienie efektywne. Znany jest stosunek spręŜania równy 8. Na początku procesu spręŜania, temperatura i ciśnienie są odpowiednio równe 100 kPa i 17 oC. Do komory doprowadza się ciepło w ilości 800 kJ/kg przy stałej objętości. ZałóŜ, Ŝe ciepło właściwe zaleŜy od temperatury.

Wniosek: Ciśnienie 557.9 kPa podczas suwu pracy wyprodukowałoby tą samą ilość energii jak podczas całego cyklu.

©jacek smołka

Silniki z zapłonem ZI i ZS W silniku z zapłonem iskrowym (ZI) (ang. SI) mieszanka jest spręŜana do temperatury poniŜej samozapłonu paliwa i zapłon jest inicjowany przez iskrę. W silnikach z zapłonem samoczynnym (ZS) (ang. CI) powietrze jest spręŜane do powyŜej temperatury samozapłonu paliwa, a zapłon następuje w momencie kontaktu paliwa z gorącym powietrzem. W silnikach ZS nie ma ograniczenia w stopniu spręŜania jak ZI ze względu na samozapłon, więc stopnie spręŜania są równe 12-24.

19

©jacek smołka

4-suwowe silniki tłokowe ZS Pod koniec suwu spręŜania następuje wtrysk paliwa (przed TDC) i trwa aŜ do początkowej fazy suwu pracy. PoniewaŜ proces spalania w silniku ZS trwa dłuŜej jest on modelowany jako proces doprowadzenia ciepła przy stałym ciśnieniu w teoretycznym obiegu Diesela. Pozostałe przemiany są identyczne jak dla obiegu Otto.

20

©jacek smołka

Teoretyczny obieg Diesela

1-2 Izentropowe spręŜanie 2-3 Doprowadzenie ciepła przy stałym ciśnieniu 3-4 Izentropowe rozpręŜanie 4-1 Wyprowadzenie ciepła przy stałej objętości

21

©jacek smołka

Teoretyczny obieg Diesela Ciepło doprowadzone i wyprowadzone: in

2 3

(

3

2

(

2

out

4

)

3

3

2

(

1

2

)

(

4

1

3

2

)

)

Sprawność obiegu dla stałych wartości Diesel

1

Diesel in

1

( 4/ ( 3/ 2

1

out in

1 2

1) 1)

1

4

(

3

1 2

)

:

©jacek smołka

Teoretyczny obieg Diesela Wprowadzając współczynnik odcięcia (ang. cutoff ratio) jako stosunek objętości przed i po procesie spalania: 3

3

2

2

Ostatecznie sprawność obiegu dla stałych wartości :

Diesel

1

1  1   (

1   1) 

©jacek smołka

Teoretyczny obieg Diesela Diesel

1

1  1   (

1   1) 

Dla = 1 sprawność obiegu Otto i Diesela są identyczne, ale silniki ZS pracują przy znacznie wyŜszych stopniach spręŜania. Stąd sprawność duŜych silników ZS jest w zakresie 3540 %.

24

©jacek smołka

Teoretyczny obieg mieszany Obieg Sabathe-Seiligera Modelowanie procesu spalania jako procesu doprowadzenia ciepła przy stałej objętości (Otto) lub przy stałym ciśnieniu (Diesel) jest raczej uproszczone. Dlatego proponuje się opis tego procesu jako kombinację dwóch przemian w obiegu mieszanym Sabathe-Seiligera. Oczywiście przypadkami szczególnymi są obiegi Otto i Diesela.

25

©jacek smołka

Przykład 2 Określ temperaturę i ciśnienie po kaŜdej przemianie cyklu DIESELA, pracę i sprawność obiegu oraz średnie ciśnienie efektywne. Znane są stosunki spręŜania i odcięcia równe odpowiednio 18 i 2. Na początku procesu spręŜania, temperatura i ciśnienie są równe odpowiednio 100 kPa i 27 o C. Komora spalania ma objętość skokową 1917 cm 3. ZałóŜ, Ŝe ciepło właściwe NIE zaleŜy od temperatury.

Wniosek: Ciśnienie 746 kPa podczas suwu pracy wyprodukowałoby tą samą ilość energii jak podczas całego cyklu.

26

©jacek smołka

Teoretyczny obieg Stirlinga

1-2 RozpręŜanie przy stałej temperaturze (doprowadzenie ciepła z zewnętrznego źródła) 2-3 Regeneracja przy stałej objętości (przepływ ciepła wewnątrz układu od czynnika roboczego do regeneratora) 3-4 SpręŜanie przy stałej temperaturze (ciepło odprowadzone do otoczenia) 4-1 Regeneracja przy stałej objętości (przepływ ciepła wewnątrz układu 27 z regeneratora do czynnika roboczego

©jacek smołka

Teoretyczny obieg Stirlinga

1-2 Ciepło jest doprowadzane do czynnika z zewnętrznego źródła podwyŜszając jego temperaturę do max np. zewnętrzne spalanie. Tłok przesuwa wykonując pracę, gaz rozpręŜa się izotermicznie i zmniejsza się ciśnienie gazu. 2-3 Gaz jest przetłaczany z komory 1 do komory 2 oddając ciepło w regeneratorze. Temperatura na początku regeneratora jest równa max, a na końcu min. Ruch tłoków zapewnia stałą objętość gazu. 3-4 Gaz jest spręŜany, ale jednocześnie oddaje ciepło do otoczenia i to zapewnia utrzymanie stałej temperatury min. 4-1 Gaz jest przetłaczany z komory 2 do komory 1 pobierając ciepło w regeneratorze. Temperatura na początku regeneratora jest równa min, a na końcu max. Ruch tłoków zapewnia stałą objętość gazu.

Stirling

Carnot

1

min max

28

©jacek smołka

Teoretyczny obieg Ericssona

1-2 RozpręŜanie przy stałej temperaturze (doprowadzenie ciepła z zewnętrznego źródła) 2-3 Regeneracja przy stałym ciśnieniu (przepływ ciepła wewnątrz układu od czynnika roboczego do regeneratora) 3-4 SpręŜanie przy stałej temperaturze (ciepło odprowadzone do otoczenia) 4-1 Regeneracja przy stałym ciśnieniu (przepływ ciepła wewnątrz układu 29 z regeneratora do czynnika roboczego

©jacek smołka

Teoretyczny obieg Ericssona

Ericsson

Carnot

1

min max

W turbinie i spręŜarce realizowane są przemiany izotermiczne (obniŜenie ciśnienia i doprowadzenie ciepła lub odwrotnie). Regeneratorem jest przeponowy przeciwprądowy wymiennik ciepła. W idealnym przypadku ciepły strumień gazu z turbiny ochładza się w wymienniku ciepła do temperatury min i analogicznie chłodny czynnik roboczy ze spręŜarki podgrzewa się do temperatury max.

30

©jacek smołka

Wady i zalety obiegów Stirlinga i Ericssona Wady: Konieczność wymiany ciepła przy róŜniczkowej róŜnicy temperatur, co wymaga duŜych powierzchni i czasu trwania procesu. Zalety: Zewnętrzne spalanie, co powoduje, Ŝe róŜne paliwa mogą być stosowane, proces spalania jest bardziej doskonały ze względu na dłuŜszy czas. Obieg jest zamknięty, co oznacza, Ŝe jest moŜliwość dobrania odpowiedniego czynnika roboczego ze względu na jego stabilność, obojętność chemiczną i wysoki współczynnik przewodzenia ciepła, np. hel lub wodór. Wniosek: regeneracja podwyŜsza sprawność obiegu, co wykorzystuje się m.in. w obiegach turbin gazowych realizujących obieg Braytona, który jest wtedy podobny do obiegu Ericssona.

31

©jacek smołka

Silnik Wankla

Seryjna Mazda RX-8 (model 2008), pojemność skokowa 1300 ccm, moc 231 KM...