Wykres indykatorowy Kąt obrotu wału korbowego [stopnie OWK]

Transkrypt

1 Cśnene w cylndrze Cśnene w cylndrze Wyres ndyatorowy 1/10 9. WYKRES PRACY SINIKA SPAINOWEGO Rzeczywsty wyres pracy slna spalnowego nazywany wyresem ndyatorowym przedstawa przebeg bezwzględnego cśnena w cylndrze pracującego slna w zależnośc od ąta obrotu wału orbowego p(α) nos wtedy nazwę wyresu ndyatorowego otwartego (rys. 9.1) lub w zależnośc od objętośc gazów zawartych w cylndrze mędzy głowcą a tłoem p(v)- nos wtedy nazwę wyresu ndyatorowego zamnętego (rys. 9.) Kąt obrotu wału orbowego [stopne OWK] Rys Otwarty wyres ndyatorowy (sln wolnossący) Objętość cylndra Rys. 9.. Zamnęty wyres ndyatorowy (sln wolnossący) Wyres ndyatorowy wyznacza sę za pomocą zestawu aparatury do ndyowana zwanego ndyatorem, sładającego sę z czujna cśnena umeszczonego w omorze spalana, wzmacnacza ładunu, czujna położena ątowego wału orbowego slna rejestratora. Indyowane slna pratyczne sprowadza sę do pomaru cśnena panującego

2 /10 w cylndrze pracującego slna spalnowego w zależnośc od ąta obrotu wału orbowego, podczas jednego cylu pracy. Rzeczywsty cyl pracy slna różn sę dość znaczne od obegu teoretycznego, gdyż: w slnu następuje wymana czynna roboczego po ażdym cylu pracy, wsute zachodzących reacj chemcznych czynn rozprężany ma nne właścwośc fzyczne nż czynn sprężany, wsute neszczelnośc tłoa w cylndrze lość czynna ulega zmane, cepło ne jest doprowadzane z zewnątrz, lecz uzysuje sę je w wynu spalana palwa zawartego w cylndrze, przebeg doprowadzana cepła ne jest zgodny z przyjętym założenam p = const. V = const., występują straty nezupełnego necałowtego spalana palwa, sprężane rozprężane czynna ne odbywa sę zentropowo; w początowym orese sprężana cepło jest doprowadzane od gorących ścane cylndra do czynna, w późnejszym orese sprężana podczas rozprężana cepło jest odprowadzane od czynna do chłodnejszych od nego ścane cylndra głowcy, cepło ne jest odprowadzane od czynna po wyonanu przez nego pracy, lecz czynn uchodząc z cylndra unos ze sobą znaczną część energ ceplnej. Na rysunach są poazane przyładowe otwarte wyresy ndyatorowe dla jednego cylu pracy slna w jednym cylndrze, uzysane z pomarów 1. Rys Otwarty wyres ndyatorowy sln 115C, masymalny moment 1 Dr nż. Macej Tułodzec, Badana slna 115C

3 3/10 Rys Otwarty wyres ndyatorowy sln 115C, masymalna moc Na rys jest przedstawonych ladzesąt cyl pracy w jednym cylndrze slna następujących olejno po sobe. Ne są one dentyczne. Na olejnych wyresach znaczne różną sę wartośc masymalnego cśnena (jedna dzała ponowa odpowada cśnenu 1 MPa) a w onsewencj równeż ształt wyresów. Rys Zagęszczone wyresy ndyatorowe sln 115C, masymalny moment Rys Zagęszczone wyresy ndyatorowe sln 115C, masymalna moc

4 4/10 W pratyce slnowej wadomo, że olejne cyle pracy w tym samym cylndrze mogą różnć sę mędzy sobą w bardzo dużym stopnu. Zjawso to nazwano nepowtarzalnoścą olejnych cyl pracy. Zasadnczym jego przyczynam są: nejednaowe napełnene cylndra śweżym ładunem, nejednaowy przebeg procesu spalana. Wobec ta znacznych różnc pomędzy przebegam olejnych cyl pracy, do wyznaczene reprezentatywnego wyresu ndyatorowego stosuje sę metody statystyczne ch uśrednana. Wyresy ndyatorowe dostarczają bardzo welu nformacj o przebegu zjaws zachodzących wewnątrz cylndra pozwalają na wycągnęce welu ważnych wnosów. Stanową podstawę do wyznaczena sły nacsu gazów na deno tłoa zwanej w slnach słą gazową, tóra oddzałując na uład orbowy wywołuje obcążene jego elementów. Mernem obcążena uładu orbowego slna słam nacsu gazów jest średne cśnene ndyowane. Zarówno otwarty wyres ndyatorowy p(α) ja zamnęty p(v) są sporządzane dla jednego cylu pracy slna. Cyl pracy slna czterosuwowego słada sę z czterech suwów (suwy: dolotu, sprężana, rozprężana zwanego też suwem pracy, wylotu). Podczas ażdego suwu wał orbowy obraca sę o 180, a węc cały cyl pracy slna jest realzowany w czase dwóch obrotów wału orbowego, co odpowada 70OWK (stopeń obrotu wału orbowego). Sporządzene wyresu ndyatorowego zamnętego p(v) wymaga wyznaczena chwlowej wartośc objętośc cylndra w funcj ąta obrotu wału orbowego V() (punt 9.): gdze: V D 1 V r 1 cos 1 1 sn V (9.1) 4 Vs - objętość omory spalana, 1 s D V s 4 S - objętość soowa jednego cylndra, r - współczynn orbowodu, l s stopeń sprężana, D średnca cylndra, S so tłoa, r = S/ promeń wyorbena, l długość orbowodu (odległość os sworzna od os czopa orbowego).

5 5/10 Korzystając z wyresu ndyatorowego zamnętego można oblczyć pracę rzeczywstą wyonaną wewnątrz cylndra tłoowego slna spalnowego nazywaną pracą ndyowaną. Praca ndyowana jest sumą prac absolutnych w poszczególnych suwach, zsumowanych z uwzględnenem znaów tych prac. d spr rozpr w gdze: d praca absolutna w suwe dolotu, spr praca absolutna w suwe sprężana, rozpr praca absolutna w suwe rozprężana, w praca absolutna w suwe wylotu. Suma pracy absolutnej w suwe rozprężana sprężana odpowada na wyrese na rys. 9.7 polu dużej pętl ma zna plus, co oznacza nadwyżę pracy wyonanej przez gaz podczas rozprężana nad pracą włożoną z sprężene gazu w suwe sprężana. Suma pracy absolutnej w suwe wylotu dolotu odpowada na rys. 9.7 polu małej pętl ma zna mnus, co oznacza nadwyżę pracy włożoną w usunęce spaln z cylndra nad pracą wyonaną przez gaz podczas suwu dolotu. Stanow pracę potrzebną do poonana oporów przepływu. Na podstawe wyresu ndyatorowego wyznacza sę równeż średne cśnene ndyowane p śr. Jest to tae stałe cśnene umowne, tóre dzałając na tło w czase suwu rozprężana wyonałoby taą samą pracę ja zmenne cśnene rzeczywste dzałające na tło w czase całego cylu roboczego. Jest oblczane z zależnośc: p pole pole gdze: praca ndyowana, V s objętość soowa jednego cylndra (9.) Vs Vs Rys Średne cśnene ndyowane p przedstawone na wyrese ndyatorowym slna wolnossącego

6 6/10 Na podstawe pracy ndyowanej oblcza sę moc ndyowaną slna N z następującej zależnośc: N (9.3) t gdze: - lczba cylndrów, t czas wyonana pracy. Praca w slnu 4-suwowym jest wyonywana w czase dwóch obrotów wału orbowego slna, a zatem: 60 t [ s], (9.4) n gdze: n [obr/mn] prędość obrotowa wału orbowego slna. Podstawając do (9.3) zależność (9.4) przeształconą zależność (9.) otrzymuje sę dla slna czterosuwowego: p Vs n N (9.5) Sprawnośc slnów rzeczywstych W urządzenach rzeczywstych pracujących według obegów zamnętych zachodzą straty mające różny charater. W szczególnośc mogą one meć charater ceplny: np. neodwracalność typu ceplnego, tarce wymana cepła tp. czasem można wydzelć straty typowo mechanczne: napęd mechanzmów pomocnczych, straty tarca mechancznego w łożysach urządzena. Wszyste te straty bywają charateryzowane różnym współczynnam sprawnośc nazywanym powszechne sprawnoścam. Dla urządzeń, tórych celem jest oddawane energ na zewnątrz (sln ceplne nne przetworn energ), można przedstawć schemat strat przeazywana energ poazany na rys [5]. Na jego podstawe można wyznaczyć sprawność badanego urządzena, czyl suteczność zamany cepła zawartego w dostarczanym do nego palwe na energę mechanczną przeazywaną przez to urządzene do odborna mocy lub momentu.

7 7/10 Energa poberana Straty II zasady termodynam (straty wylotu) t Praca teoretyczna Straty ceplne (straty chłodzena) Praca wewnętrzna (ndyowana) Straty mechanczne e Praca użyteczna (efetywna) Rys Schemat strat przeazywana energ w slnach ceplnych Dla slnów pracujących według obegu zamnętego stosuje sę następujące sprawnośc: a) Sprawność teoretyczna η t t t Jest to sprawność uwzględnająca oneczność oddawana cepła w obegu zamnętym, zgodne z drugą zasadą termodynam. Praca t jest pracą, jaa zostałaby wyonana przez sln, gdyby pracował zgodne z przyjętym obegem wzorcowym. jest loścą cepła dostarczaną do slna w czase jednego obegu, zawartą w palwe zużywanym przez sln teoretyczne wywązującą sę w cylndrze podczas procesu spalana całowtego zupełnego. Sprawność teoretyczna jest marą strat cepła oddawanego dolnemu źródłu; odpowednem tych strat w slnu rzeczywstym są straty wylotu. b) Sprawność ndyowana η (wewnętrzna) t Ta sprawność uwzględna straty typu ceplnego powstające przy realzacj obegu porównawczego (wzorcowego) w cylndrze slna rzeczywstego, a zatem straty wywołane różncą właścwośc rzeczywstego czynna roboczego w stosunu do gazów dosonałych (zmenność cepła właścwego dysocjacja produtów spalana), newłaścwym procesem spalana, chłodzenem oraz straty wywołane dławenem podczas przepływów zwązanych z wymaną ładunu. stanow pracę wyonaną przez sln po uwzględnenu strat ceplnych.

8 Cśnene w cylndrze Wyres ndyatorowy 8/10 Porównane rzeczywstego wyresu pracy slna spalnowego z wzorcowym obegem teoretycznym jest przedstawone na rys Objętość cylndra Rys Porównane wyresu ndyatorowego z wzorcowym obegem teoretycznym c) Sprawność ceplna η c Sprawność ceplna całowce charateryzuje rzeczywsty cyl pracy slna, tj, uwzględna wszyste straty ceplne. Defnowana jest następująco: c a można ją zapsać równeż ta: c t t d) Sprawność mechanczna η m e m Uwzględna straty typu mechancznego. e oznacza pracę użyteczną slna, to znaczy tę, tóra może być oddana przez sln na zewnątrz wyorzystana użyteczne. Sprawność mechanczna jest marą strat na tarce w mechanzmach slna na napęd mechanzmów pomocnczych. e) Sprawność użyteczna η o e o Ta sprawność charateryzuje cały proces przetwarzana energ można ją równeż zapsać następująco: o t m lub o c m

9 9/10 Powyższą zależność otrzymuje sę następująco: e m o t m t m Welośc występujące w powyższych zależnoścach wyznacza sę następująco: - cepło doprowadzone do jednego obegu G Wu [MJ] 60 n gdze: G [g/h] lość palwa zużyta przez sln w cągu jednej godzny (godznowe zużyce palwa), W u [MJ/g] wartość opałowa palwa, współczynn uwzględnający lczbę suwów wyonanych przy realzacj cylu pracy, wynoszący dla slna czterosuwowego, n [obr/mn] prędość obrotowa wału orbowego slna. - praca użyteczna e Pracę użyteczną wyznacza sę z zależnośc: p V e e s gdze: V s - objętość soowa jednego cylndra, p e - średne cśnene użyteczne, lub z zależnośc: e N gdze: - lczba cylndrów, N e moc użyteczna slna, t czas wyonana pracy e, opsany zależnoścą (9.4) Średne cśnene użyteczne wyznacza sę z zależnośc: p e e t 60 N e V n ss gdze: p e [MPa] średne cśnene użyteczne, N e [W] moc użyteczna slna, n [obr/mn] prędość obrotowa wału orbowego slna, V ss [dm 3 ] - objętość soowa slna (V ss = V s ), - współczynn uwzględnający lczbę suwów na jeden cyl roboczy; = dla slna czterosuwowego.

10 10/10 Blans energ slna ceplnego można przedstawć w postac wyresu zwanego wyresem Saneya (rys. 9.10). Podane na rysunu wartośc strat [7] należy tratować jao przyblżone wartośc przecętne. 100% t Straty wylotu 9% e Praca użyteczna 3% Straty chłodzena 3% Straty mechanczne 7% Rys Blans energ slna ceplnego 9.. Wyznaczene chwlowej wartośc objętośc cylndra V(α) Całowta objętość cylndra V jest sumą objętośc omory spalana V objętośc soowej cylndra V s. Chwlowa wartość objętośc cylndra wynos: V( ) V V (9..1) s zależy od chwlowego położena tłoa w cylndrze slna, a węc od ąta obrotu wału orbowego. Objętość V wyznacza sę następująco: V Vs 1 s gdze: D V s S - objętość soowa jednego cylndra, 4 s stopeń sprężana, D średnca cylndra, S so tłoa, a objętość V s () następująco: D V s x (9..) 4 gdze: x(α) chwlowa wartość przemeszczena tłoa w cylndrze.

11 l+r S=r Wyres ndyatorowy 11/10 Chwlową wartość przemeszczena tłoa x(α), zwaną drogą tłoa, wyznacza sę z zależnośc trygonometrycznych w mechanzme tłoowo-orbowym. Jest to odległość przebyta przez tło od górnego martwego puntu (GMP). Oznacza sę ją przez x (rys. 9.11). GMP x A y l O B r=s/ DMP x Rys Schemat uładu orbowego symetrycznego (zbeżnoosowego); r = S/ promeń wyorbena, l długość orbowodu (odległość os sworzna od os czopa orbowego), S - so tłoa, x chwlowa wartość drog tłoa lczona od GMP, - ąt obrotu ramena wyorbena (wału orbowego) lczony od GMP, - ąt pomędzy osą orbowodu osą cylndra (oś x) Drogę tłoa wyznacza sę następująco: 1 x r l r cos l cos r (1 cos ) l(1 cos ) r (1 cos ) (1 cos ) (9..3) gdze: λ współczynn orbowodu r l Przecętne wartośc λ wynoszą: λ = 0,1 0,31. Z trójąta OAB wyznacza sę zależność ąta od ąta : l r sn sn sąd: a zatem: sn sn cos 1sn 1 sn

12 1/10 Podstawając powyższe wyrażene do (3) otrzymuje sę zależność opsującą drogę tłoa: 1 r cos 1 1 sn x 1 (9..4) Po podstawenu zależnośc (4) do zależnośc () otrzymuje sę: D 1 r 1 cos 1 1 sn V s (9..5) 4 a po uwzględnenu (5) w zależnośc (1) otrzymuje sę zależność opsującą chwlową wartość całowtej objętośc cylndra: D 1 V r 1 cos 1 1 sn V (9..6) 4