Silniki tłokowe. Dr inż. Robert JAKUBOWSKI

Transkrypt

1 Silniki tłokowe Dr inż. Robert JAKUBOWSKI

2 Literatura rzedmiotu: Dzierżanowski P. i.in: Silniki Tłokowe z serii Naędy lotnicze, WKŁ. Warszawa 98 Borodzik F.: Budowa silnika z serii Aeroklub olski szkolenie samolotowe, WKŁ Warszawa 973 Ambrozik A.:Wybrane zagadnienia rocesów cielnych w tłokowych silnikach salinowych, Wyd. Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce 2003 Cheda W., Malski M.: Techniczny oradnik lotniczy, Silniki, WKŁ, Warszawa 984 Wender J. Wajand J.: Silniki salinowe małej mocy, WNT, Warszawa 983

3 Podstawowe tyy silnika tłokowego ze względu na zasadę działania Silnik czterosuwowy Silnik dwusuwowy Silnik z wirującym tłokiem silnik Wankla

4 Zasada racy silnika czterosuwowego

5 Zasada racy silnika czterosuwowego

6 Zasada racy silnika dwusuwowego SUW W DÓŁ SUW W GÓRĘ

7 Zasada racy silnika dwusuwowego

8 Zasada racy silnika dwusuwowego dwusuw.gif

9 Przełukiwanie cylindra

10 Nowe koncecje silnika dwusuwowego

11 Zasada racy silnika Wankla

12 Zasada racy silnika Wankla

13 Silniki tłokowe Obieg silnika tłokowego 2 s = 2 2 ε = 2 - objętość maksymalna - objętość minimalna - objętość skokowa - stoień srężania

14 Procesy w silniku salinowym są bardzo złożone, albowiem w trakcie racy silnika mamy do czynienia z szeregiem zjawisk, które są trudne do oisania w formie rostych formuł matematycznych dających możliwość szybkiego rozwiązania oraz łatwej interretacji. Dlatego na etaie oracowywania nowych konstrukcji, jak i doskonalenia już istniejących owszechnie wykorzystuje się uroszczone modele obiegu racy silnika tłokowego.

15 Obiegi silnika Teoretyczny jest wzorcem rzedstawiającym rzy omocy rzemian idealnych obieg energii w silniku. Czynnik roboczy oisany jest za omocą modelu gazu doskonałego (Carnota, Joula, Brytona, Otto) Porównawczy - obieg bardziej dostosowany ze względu na analizę silników salinowych, wykorzystujący ois zachodzących rzemian jako odwracalne, rzy czym model czynnika roboczego traktuje się jako gaz ółdoskonały lub rzeczywisty oraz uwzględnia się suwy wymiany ładunku Rzeczywisty ujmujący najełniej ogół zjawisk wystęujących w silniku, bazujący na możliwie jak najdokładniejszym oisie rzeczywistych zjawisk zachodzących w silniku salinowym. Obieg można otrzymać na odstawie wykresu indykatorowego

16 Obieg teoretyczny Przemiany w obiegu są rzemianami odwracalnymi Czynnik roboczy jest traktowany jako gaz idealny (c, c v, k, R stałe) Pomija się zmianę ilości czynnika w obiegu Proces salania traktuje się jako równoważny mu roces dorowadzenia cieła Proces wymiany ładunku rzyjmuje się jako roces odrowadzenia cieła z układu

17 Obiegi teoretyczne silnika tłokowego Obieg Otto Obieg Otto 3-2 izentroowe sreżanie 2-3 izochoryczne dorowadzenie cieła 3-4 izentroowe rozrężanie 4- izochoryczne odrowadzenie cieła 2 4 Przybliżony model racy silnika o załonie iskrowym

18 Obiegi teoretyczne silnika tłokowego Obieg Diesla Obieg Diesla izentroowe sreżanie 2-3 izobaryczne dorowadzenie cieła 3-4 izentroowe rozrężanie 4- izochoryczne odrowadzenie cieła 4 Przybliżony model racy wolnossącego silnika o załonie samoczynnym

19 Obiegi teoretyczne silnika tłokowego Obieg Sabathe Obieg Sabathe izentroowe sreżanie 2-3 izobaryczne dorowadzenie cieła 3-4 izochoryczne dorowadzenie cieła 4-5 izentroowe rozrężanie 2 5- izochoryczne odrowadzenie cieła 5 Przybliżony model racy wsółczesnych silników o załonie samoczynnym

20 Praca obiegu i srawność cielna obiegu silnika 3 4 PRACA OBIEGU lob = qdo qod 2 l ob CEPŁO DOPROWADZONE ( ) ( ) q = q + q = c T T + c T T do v SPRAWNOŚĆ CIEPLNA OBIEGU η = c l q ob do q = q od do 5 CEPŁO ODPROWADZONE od ( ) q = q = c T T 5 v 5 Srawność obiegu jest tym większa im większa jest raca obiegu uzyskiwanego z tej samej ilości dorowadzonego cieła

21 Uogólniony termodynamiczny obieg silnika tłokowego oraz 5 6 ε = λ = 2 ρ = 4 2 σ = 5 4 ρ ' = Stoień srężania Stoień wzrostu ciśnienia odczas dorowadzania cieła rzy =const. Stoień wstęnego rozrężania odczas dorowadzania cieła rzy =const. Stoień dalszego rocesu rozrężania Stoień wstęnego srężania odczas oddawania cieła rzy =const. ρ ' ε = σρ ε σ = ρ ρ'

22 Parametry termodynamiczne obiegu orównawczego ciśnienie objętość temeratura 3 4 = 2 k ε k 2 = ε T2 = Tε k 3 = ε λ = 3 2 k T3 = Tε λ 2 = ρ ε k 4 = = k k 5 = ε λ ρ T Tε λρ k k 5 = σ ' T5 = Tε λ ρ σ 5 = σρ ε 5 6 = T6 = Tρ ' 6 6 = σ ' oraz ρ ' ε = σρ ε σ = ρ ρ'

23 Praca obiegu ( ) ( ) ( ) ( ) lob = qdo qod = cv T3 T2 + c T4 T3 cv T5 T6 + c T6 T = Po odstawieniu: ( ) + ( ) ( ) + ( ) c T T k T T c T T k T T v v k k ε σρ lob = Tc v ε ( λ ) kλ ( ρ ) + λρ + ( k ) k σ ε 3 4 Dla obiegu Sabathe ρ ' =, ε = ρσ k k { ε ( λ ) λ ( ρ ) λ ρ } lob = Tc v + k 2 Dla obiegu Otto ρ ' =, ρ =, ε = σ k ( )( ) lob = Tc v λ ε 5 6 Dla obiegu Diesla ρ ' =, λ =, ε = ρσ k k { ε ( ρ ) ρ } lob = Tc v k

24 Srawność cielna obiegu η ob k ε σρ λρ ( k ) k l q + ob od σ ε = = = k qdo qdo ε ( λ ) + kλ( ρ ) 3 4 Dla obiegu Sabathe ρ ' =, ε = ρσ η ob = k λρ ( ) + k ( ) k ε λ λ ρ 2 Dla obiegu Otto ρ ' =, ρ =, ε = σ = ε η ob k 5 6 Dla obiegu Diesla ρ ' =, λ =, ε = ρσ l ob = k ε k ρ k ( ρ )

25 Średnie ciśnienie obiegu k ε = l = λ + kλ ( ρ ) η ( k ) ( ερ ' ) ob s ob 3 4 Dla obiegu Sabathe ρ ' =, ε = ρσ k ε = λ + kλ ( ρ ) η ( k )( ε ) ob 2 Dla obiegu Otto ρ ' =, ρ =, ε = σ k ε = ( )( ) ( λ ) k ε η ob 5 6 Dla obiegu Diesla ρ ' =, λ =, ε = ρσ ε = k k ( k )( ε ) ( ρ ) η ob

26 Wływ wybranych arametrów na arametry obiegu 3 4 Parametry wyjściowe rzyjęte do analizy ε = 6, λ = 2, ρ = 2, ρ' = 2 5 6

27 Podsumowanie analizy obiegu silnika orównawczego Najkorzystniej racę obiegu silnika można odnosić orzez zwiększanie ilości cieła dostarczonego w rocesie izochorycznym a nastęnie w rocesie izobarycznym Na odnoszenie srawności cielnej silnika (zmniejszanie zużycia aliwa) wływa odnoszenie stonia srężania w silniku Stosunkowo niekorzystny wływ na srawności cielną obiegu ma zwiększanie racy obiegu orzez izobaryczne dorowadzanie cieła

28 Określanie arametrów użytkowych na odstawie analizy obiegu silnika ŚREDNIE CIŚNIENIE OBIEGU sr = Lob s = lob vs 3 4 MAKSYMALNE CIŚNIENIE OBIEGU k = λ = λ ε 3 2 q q λ = ct + = + v v k v 2 ct v aε 2 sr 5 6 MAKSYMALNA TEMPERATURA OBIEGU k T4 = Tε λρ q q ρ = + = + ct k 3 ct aε λ

29 Obieg teoretyczny silnika doładowanego Stoień srężania w srężarce: ε = sr a Całkowity stoień srężania: ε = ε ε c sr 5 Doładowanie a b Zastosowanie doładowania zwiększa ciśnienie maksymalne w obiegu a także odnosi temeratury obiegu. W odniesieniu do silnika bez doładowania zwiększa srawność obiegu orzez zwiększenie całkowitego stonia srężania η ob ( ) ( ) ( ) k k ( ρλ ) ( ) + ( ) l qod kcv Tb T ob a = = = = k qdo qdo cv T3 T2 + kcv T4 T3 ε c λ kλ ρ

30 Obieg rzeczywisty silnika czterosuwowego a 3 2 I OZD ZZW GMP + OZW 4 ZZD DMP Procesy zachodzące odczas racy silnika nie są odwracalne Dorowadzenie cieła odbywa się orzez salanie, a nie dorowadzenie cieła, W silniku rzeczywistym uwzględnia się wymianę cieła między ładunkiem, a ściankami silnika, Uwzględnia się straty rzeływowe wystęujące w trakcie naełniania i oróżniania cylindra, W cylindrze o zakończeniu wydechu ozostaje ewna ilość salin, stąd w czasie racy silnika czynnik roboczy jest mieszanką świeżego ładunku i ozostałych salin Ilość czynnika roboczego biorąca udział w obiegu jest zmienna

31 Obieg silnika tłokowego czterosuwowego niedoładowanego 2 3 I -2 srężanie z inicjacją rocesu salania 2-3 salanie 3-4 suw racy OZW-ZZW usuwanie roduktów salania z komory cylindra OZD-ZZD naełniane cylindra świeżym ładunkiem + OZW 4 Praca indykowana L = d = A a a i i v Ciśnienie indykowane i d = = Moc indykowana s Li n P i = nobr [ / s] 2 Moc efektywna L i s a OZD ZZW ZZD P = P P i str Moment obrotowy GMP DMP Mo = P ω

32 Obieg silnika tłokowego czterosuwowego doładowanego 3-2 srężanie z inicjacją rocesu salania 2-3 salanie 3-4 suw racy OZW-ZZW usuwanie roduktów salania z komory cylindra OZD-ZZD naełniane cylindra świeżym ładunkiem rzy ciśnieniu wyższym od atmosferycznego 2 Z + a OZW 4 OZD ZZD + a ZZW GMP DMP

33 Metody doładowania silnika

34 Porównanie wykresów obiegu silnika Silnik bez doładowania Silnik doładowany

35 Obieg silnika dwusuwowego 3-2 srężanie z inicjacją rocesu salania 2-3 salanie 3-4 suw racy 4- rzełukiwanie cylindra Praca indykowana L = d = A a a i i v Ciśnienie indykowane i Moc indykowana P i d = = = Ln i s L i s nobr [ / s] 2 a GMP Z 4 DMP Moc efektywna P = P P i str Moment obrotowy Mo = P ω

36 Zużycie aliwa ZUŻYCIE PALIWA NA JEDEN CYKL PRACY SILNIKA m = Q η W al do sal u Wu ηsal -wartość oałowa aliwa - srawność cielna rocesu salania SEKUNDOWE ZUŻYCIE PALIWA m = m n m = m n 2 al al lub al al JEDNOSTKOWE ZUŻYCIE PALIWA b = m P j al

37 SILNIK CZTEROSUWOWY Wykres racy obiegu silnika, a kąt obrotu wału korbowego Gdzie: = 2 GMP 2 x= R+ L Rcosα L R Po wyłączeniu R i oznaczeniu rzez ( sinα ) 2 λ = x= R λ cosα + λsinα λ R L ( ) 2 Z dwumianu Newtona o odrzuceniu wyrazów o mniejszym znaczeniu λ sin α ( λsinα) oraz 2 2 cos2α sin α = 2 λ x= R cosα ( cos2α ) 4 s s λ = 2+ x= 2+ cosα ( cos2α ) 2R 2 4

38 OBIEG SILNIKA CZTEROSUWOWEGO ANALIZA PROCESÓW Suw ssania OZD 0 ZZD Na końcu suwu: ks GMP s DMP m = m + m m ow r _ s r_ s = R r_ s r_ s T r_ s r_ s m ow 0 =ηv R T s 0 0 m m ow r_ s ηv masa zassanego owietrza masa ozostałych salin wsółczynnik naełniania Przyjmując: CIŚNIENIE η = R = R = R r_ s 0 ( ε ) ( ) T + T + T v 0 0 r_ s 0 εt 0 = r_ s ks TEMPERATURA ε T = 0 T0 ηv( ε ) 0 + r_ s Tr_ s T rzyrost temeratury zasysanego ładunku w wyniku ogrzewania od ścianek silnika silnik z ZI: T = 5 50K silnik z ZS: T = 0 30K T

39 Wsółczynnik naełniania η = mow mow_ t m ow_ t 0 s = RT 0 0 masa ładunku, który rzy ciśnieniu i temeraturze dostarczanego czynnika wyełniłby całą ojemność skokową cylindra Straty naełniania wiążą się: z oorem rzeływu na kolektorze dolotowym, na zaworze ssącym oraz na filtrze owietrza it. ozostała reszta salin w cylindrze o wyższej temeraturze i ciśnieniu rozręża się w oczątkowym okresie naełniania obniżając skuteczność naełniania ogrzewanie się naływającego ładunku od ścianek cylindra zmniejsza gęstość, a rzez to i ilość naływającego ładunku η = η = η = 0,5 0,85 0, 75 0,9 0,9 0,98 - silniki gaźnikowe z ZI - silniki wolnossące z ZS - silniki doładowane z ZS

40 Parametry termodynamiczne strumienia na końcu rocesu zasysania Rodzaj silnika Ciśnienie [MPa] Temeratura [K] ZI 0,07-0, ZS wolnossący 0,075-0, ZS doładowany 0,92-0,98 d

41 OBIEG SILNIKA CZTEROSUWOWEGO PROCES SPRĘŻANIA W wyniku zjawisk rzeczywistych wystęujących w rocesie srężania odbiega on od rocesu izentroowego, a rzybliżyć go można rzemianą olitroową o wykładniku olitroy n=,3-,38 ciśnienie = 2 n ε temeratura T n 2 = Tε Rodzaj silnika ZI Stoień srężania 6-8 Ciśnienie [MPa] 0,6-,5 Temeratura [K] objętość ZS , = ε 2

42 PROCES SPALANIA W SILNIKU Salanie w silniku zależy od: właściwego odarowania kroel aliwa i wymieszania z owietrzem stosunku ilości aliwa do ilości owietrza (tlenu) otrzebnego do rocesu salania rędkość salania zależy od właściwości aliwa (n. dodatków katalitycznych), dobrego rzemieszania mieszaniny (zawirowanie strumienia w komorze salania) it. Lt λ = - teoretyczne zaotrzebowanie owietrza do salenia kg aliwa L L t -wsółczynnik nadmiaru owietrza Nazwa aliwa Olej naędowy Benzyna Nafta lotnicza L t [kg ow/kg al] 3,9-4, ,6

43 Granica załonności aliwa Stechiometryczny skład mieszanki λ= Mieszanka bogata λ< Mieszanka uboga λ> benzyna Paliwo olej naędowy Granica zaalności dolna λ górna λ 0,50,30 0,48,35 wodór 0,5 0,5

44 OBIEG SILNIKA CZTEROSUWOWEGO PROCES SPALANIA Silnik z gaźnikiem lub wtryskiem do kolektora dolotowego I salanie wstęne II salanie właściwe III doalanie T I II III GMP Kąt OWK Zależność temeratury i ciśnienia w funkcji kąta OWK

45 OBIEG SILNIKA CZTEROSUWOWEGO PROCES SPALANIA Silnik z wtryskiem do komory salania I okres oóźnienia samozałonu II okres owstawania rozrzestrzeniania się ognisk samozałonu III okres salania aliwa bezośrednio o wyjściu z wtryskiwacza I okres doalania odczas suwu rozrężania (nieożądany) okres wtrysku samoczynny załon oczątek wtrysku I II III I GMP Kąt OWK Zależność temeratury i ciśnienia w funkcji kąta OWK

46 OBIEG SILNIKA CZTEROSUWOWEGO PROCES SPALANIA BILANS ENERGII Energia czynnika w KS + energia wydzielona ze salonego aliwa = energia na końcu rocesu salania U + Q d = U 2 do 4 ( ) ( ) c mt m T + c m T mt = m η W v al sal u gdzie: m3 = m2 + m al _ = const m4 = m3 + m al _ = const Dla salania niezuełnego n. gdy λ < (mieszanka bogata) ( ) W = W W u u _ zuenego _ sal u ( λ ) Wu = 0, 404WCO Lt gdzie W = 0200 kj/kg CO

47 OBIEG SILNIKA CZTEROSUWOWEGO PROCES ROZPRĘŻANIA W wyniku zjawisk rzeczywistych wystęujących w rocesie rozrężania odbiega on od rocesu izentroowego, a rzybliżyć go można odobnie jak w rzyadku srężania rzemianą olitroową ciśnienie temeratura T = 4 5 n_ r = σ T 4 5 n_ r σ objętość 5 = σ 4 Wartości wykładnika olitroy rozrężania dla silników z ZI: n_r=,25-,34 dla silników z ZS: n_r=,8-,28 dla silników z ZS doładowanych: n_r=,22-.32

48 OBIEG SILNIKA CZTEROSUWOWEGO ANALIZA PROCESÓW Suw wydechu wyływ nadkrytyczny wyływ odkrytyczny OZW 0 ZZW H ks s GMP DMP OZW GMP ZZW DMP kąt OWK Wsółczynnik zanieczyszczenia salinami γ = Z m m r_ s ow γ z = η r_ s o ( ε ) T T v o r_ s γ = 0, 2 0,6 z silnik z ZI: T = r_ s K silnik z ZS: T _ = K r s

49 Fazy racy rozrządu załon otwarty zawór dolotowy otwarty zawór wylotowy

50 Źle dobrany załon silnika załon zbyt wczesny załon oóźniony

51 Salanie stukowe Lokalnie w silniku dochodzi do samozałonu mieszanki, co owoduje lokalny imulsowy wzrost ciśnienia i temeratury. Proces ten jest niekontrolowany i nieożądany - wystęuje gdy aliwo ma zbyt małą liczbę oktanową, a stoień srężania jest zbyt duży.

52 Charakterystyka zewnętrzna silnika

53 Charakterystyka dławiona silnika

54 Wsółraca silnik śmigło

55 Dobór śmigła do silnika

56 Wsółraca śmigła rzestawianego z silnikiem β kąt nastawienia śmigła

57 Charakterystyka śmigłowa Moment obrotowy M o = Cn 2 Moc P = Cn 2 3 C, C2 -stałe zależne od śmigła i kątów ustawienia łoat

58 Charakterystyka silnika Asz 62

59 Charakterystyka ogólna silnika

60 Charakterystyka wysokościowa Przeliczanie arametrów racy silnika na wysokości P H T = P0 0 TH H 0, 0, b jh = b j0, 0, 0 H T T H 0

61 Characterystyka wysokościowa silnika doładowanego Moc Silnik niedoładowany Moc rzelotowa niezbędna na wysokości H N H Silnik doładowany H

62 Charakterystyka rędkościowa silnika W silnikach tłokowych rzyrost rędkości lotu nieznacznie wływa na moc silnika niedoładowanego owodując jej wzrost (dla =400 km/h zwiększenie mocy wynosi ok. 6%), natomiast nie owoduje zmian mocy silnika doładowanego o stałym ciśnieniu ładowania w danym zakresie rędkości. Jednostkowe zużycie aliwa ozostaje rzy tym na raktycznie stałym oziomie. Natomiast ciąg wytwarzany rzez śmigło istotnie zależy od rędkości zgodnie z zależnością: K = η sm P H Całkowity ciąg zesołu naędowego wyraża się zależnością: K = Σ K + K gdzie: ciąg dodatkowy: K = m salsal Dla H 500 km/h ciąg dodatkowy stanowi istotny udział w ciągu całkowitym zesołu naędowego w granicach 5..20% ciągu całkowitego silnika