Wydział Samochodów i Mazyn Roboczych Intytut Pojazdów Zakład Silników Salinowych LABORATORIUM TERMODYNAMIKI ilnika alinowego Oracowanie Dr inż. Ewa Fudalej-Kotrzewa Warzawa, litoad 017
SPIS TREŚCI... Cel ćwiczenia... 6 A. OPRACOWANIE DANYCH... 6 Polecenia... 6 1. Sorządzić otwarty wykre indykatorowy (α)... 6. Sorządzić zamknięty wykre indykatorowy (V)... 7. Wyznaczyć racę indykowaną L i... 8. Wyznaczyć średnie ciśnienie indykowane iśr... 9 5. Obliczyć moc indykowaną ilnika N i... 9 6. Wyznaczyć średnie ciśnienie użyteczne e... 9 7. Wyznaczyć racę użyteczną L e... 10 8. Wyznaczyć rawność mechaniczną η m... 10 9. Wyznaczyć cieło dorowadzone do jednego obiegu... 10 10. Wyznaczyć rawność cielną η c... 10 11. Wyznaczyć rawność ogólną η o... 10 1. Dobrać obieg teoretyczny i nałożyć go na zamknięty wykre indykatorowy... 10 1. Wyznaczyć rawność teoretyczną η t... 11 1. Wyznaczyć rawność indykowaną η i... 11 15. Zetawienie rawności... 11 16. Sorządzić wykre bilanu... 11 17. Oiać wykre indykatorowy... 11 18. Podać rzykładowe wartości średniego ciśnienia użytecznego... 1 B. DOBÓR PORÓWNAWCZEGO OBIEGU TEORETYCZNEGO... 1 C. SPRAWNOŚCI I BILANS ENERGII... 17 WYKAZ LITERATURY... 19 D. DODATEK (dla zaintereowanych)... 19 1. Wyznaczenie chwilowej wartości objętości cylindra V(α)... 19. Ilość energii dotarczonej z aliwem w czaie cyklu racy ilnika... 1. Moc ilnika.1. Definicje mocy..... Obliczenie mocy inika... Oracowanie: dr inż. Ewa Fudalej-Kotrzewa
WYKRES INDYKATOROWY Rzeczywity wykre racy ilnika alinowego nazywany wykreem indykatorowym rzedtawia rzebieg ciśnienia w cylindrze roboczym racującego ilnika w zależności od kąta obrotu α wału korbowego noi wtedy nazwę wykreu indykatorowego otwartego lub w zależności od objętości V gazów zawartych w cylindrze między głowicą a tłokiem - noi wtedy nazwę wykreu indykatorowego zamkniętego. wyznacza ię za omocą zetawu aaratury do indykowania zwanego indykatorem, kładającego ię z czujnika ciśnienia umiezczonego w komorze alania, wzmacniacza ładunku, czujnika ołożenia kątowego wału korbowego ilnika i rejetratora. Indykowanie ilnika raktycznie rowadza ię do omiaru ciśnienia anującego w cylindrze racującego ilnika alinowego w zależności od kąta obrotu wału korbowego odcza jednego cyklu racy. Rzeczywity cykl racy ilnika różni ię dość znacznie od obiegu teoretycznego, gdyż: w ilniku natęuje wymiana czynnika roboczego o każdym cyklu racy, wkutek zachodzących reakcji chemicznych czynnik rozrężany ma inne właściwości fizyczne niż czynnik rężany, wkutek niezczelności tłoka w cylindrze ilość czynnika ulega zmianie, cieło nie jet dorowadzane z zewnątrz, lecz uzykuje ię je w wyniku alania aliwa zawartego w cylindrze, rzebieg dorowadzania cieła nie jet zgodny z rzyjętymi założeniami = cont. i V = cont., wytęują traty niezuełnego i niecałkowitego alania aliwa, rężanie i rozrężanie czynnika nie odbywa ię izentroowo; w oczątkowym okreie rężania cieło jet dorowadzane od gorących ścianek cylindra do czynnika, w óźniejzym okreie rężania i odcza rozrężania cieło jet odrowadzane od czynnika do chłodniejzych od niego ścianek cylindra i głowicy, cieło nie jet odrowadzane od czynnika o wykonaniu rzez niego racy, lecz czynnik uchodząc z cylindra unoi ze obą znaczną część energii cielnej.
Na ryunkach 1 i ą okazane rzykładowe otwarte wykrey indykatorowe dla jednego cyklu racy ilnika w jednym cylindrze, uzykane z omiarów 1. Ry. 1. Otwarty wykre indykatorowy ilnik 115C, makymalny moment Ry.. Otwarty wykre indykatorowy ilnik 115C, makymalna moc Na ry. i jet rzedtawionych kilkadzieiąt cykli racy w jednym cylindrze ilnika natęujących kolejno o obie. Nie ą one identyczne. Na kolejnych wykreach znacznie różnią ię wartości makymalnego ciśnienia (jedna działka ionowa odowiada ciśnieniu 1 MPa) a w konekwencji również kztałt wykreów. 1 Dr inż. Maciej Tułodziecki, Badania ilnika 115C
5 Ry.. Zagęzczone wykrey indykatorowe ilnik 115C, makymalny moment Ry.. Zagęzczone wykrey indykatorowe ilnik 115C, makymalna moc W raktyce ilnikowej wiadomo, że kolejne cykle racy w tym amym cylindrze mogą różnić ię między obą w bardzo dużym toniu. Zjawiko to nazwano nieowtarzalnością kolejnych cykli racy. Zaadniczymi jego rzyczynami ą: niejednakowe naełnienie cylindra świeżym ładunkiem, niejednakowy rzebieg roceu alania. Wobec tak znacznych różnic omiędzy rzebiegami kolejnych cykli racy, do wyznaczenie rerezentatywnego wykreu indykatorowego touje ię metody tatytyczne ich uśredniania.
6 Wykrey indykatorowe dotarczają bardzo wielu informacji o rzebiegu zjawik zachodzących wewnątrz cylindra i ozwalają na wyciągnięcie wielu ważnych wnioków. Stanowią odtawę do wyznaczenia iły naciku gazów na denko tłoka zwanej w ilnikach iłą gazową, która oddziałując na układ korbowy wywołuje obciążenie jego elementów. Miernikiem obciążenia układu korbowego ilnika iłami naciku gazów jet średnie ciśnienie indykowane. CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jet orządzenie wykreu indykatorowego otwartego i zamkniętego ilnika alinowego na odtawie wartości ciśnienia w jednym cylindrze ilnika, zmierzonych rzy użyciu zetawu do indykowania kładającego ię z czujnika ciśnienia, wzmacniacza ładunku i rejetratora oraz analiza tego wykreu. A. OPRACOWANIE DANYCH Dane zawierają: a) Zarejetrowane odcza indykowania wartości ciśnienia w jednym cylindrze ilnika w zależności od kąta obrotu wału korbowego α, odmierzanego od ołożenia zajmowanego rzez wał korbowy, gdy tłok znajduje ię w górnym martwym unkcie (GMP) w uwie naełniania. Są odane w otaci arkuza rogramu Excel. b) Dane dodatkowe: n [obr/min] rędkość obrotowa wału korbowego ilnika, rzy której były wykonywane omiary, N [kw] moc ilnika rzy tej rędkości obrotowej, G e [kg/h] - godzinowe zużycie aliwa, W u [MJ/kg] wartość oałowa aliwa. Obiektem badań były ilniki o załonie amoczynnym, z bezośrednim wtrykiem aliwa, Perkin z erii 1100 - wolnoący z oznaczeniem 110C- oraz doładowany z oznaczeniem 110C-T. Podtawowe dane ilników: Perkin 110C- Perkin 100C-T Zailanie owietrzem wolnoący turbodoładowany Moc makymalna N [kw] 6 85 Prędkość obrotowa mocy makymalnej n N [obr/min] 00 00 Moment makymalny M [N m] 0 15 Prędkość obrotowa momentu makymalnego n M [obr/min] 100 100 Liczba cylindrów i w rzędzie Objętość kokowa ilnika V SS, dm Stoień rężania ε 19, 18, Średnica cylindra D [mm] 105 Skok tłoka S [mm] 17 Długość korbowodu l [mm],77 POLECENIA 1 Sorządzić otwarty wykre indykatorowy (α) Otwarty wykre indykatorowy rzetawia zależność bezwzględnego ciśnienia gazu w cylindrze ilnika od kąta obrotu wału korbowego. Jet orządzany dla jednego cyklu racy ilnika. Cykl racy ilnika czterouwowego kłada ię z czterech uwów (uw: dolotu, rężania, rozrężania zwanego też uwem racy, wylotu). Podcza każdego uwu wał korbowy obraca ię o 180, a więc cały cykl racy
Ciśnienie w cylindrze [bar] 7 ilnika jet realizowany w czaie dwóch obrotów wału korbowego, co odowiada 70OWK (toień obrotu wału korbowego). Otrzymane z omiarów dane ozwalają orządzić otwarty wykre indykatorowy (α) - rzy użyciu rogramu Excel bez żadnych dodatkowych obliczeń - w otaci rzedtawionej na ry. A.1. 10 100 Ry. A.1. Otwarty wykre indykatorowy Sorządzić zamknięty wykre indykatorowy (V) (ry. A.) Zamknięty wykre indykatorowy rzedtawia zależność bezwzględnego ciśnienia gazu w cylindrze ilnika od chwilowej wartości objętości cylindra V(α). Sorządzenie wykreu indykatorowego zamkniętego (V) wymaga wyznaczenia chwilowej wartości objętości cylindra w funkcji kąta obrotu wału korbowego V(): D 1 V Vk r 1 co 1 1 k in k gdzie: V Vk - objętość komory alania, 1 0-60 -180 0 180 60 D V S - objętość kokowa jednego cylindra, r k - wółczynnik korbowodu, l toień rężania, D średnica cylindra, S kok tłoka, r = S/ romień wykorbienia, l długość korbowodu (odległość oi worznia od oi czoa korbowego). 80 60 0 0 Kąt obrotu wału korbowego [ OWK]
ciśnienie indykowane [bar] 8 10 100 80 60 0 0 0 0 0,000 0,000 0,0006 0,0008 0,001 0,001 Objętość cylindra V c [m ] Ry. A.. Zamknięty wykre indykatorowy Wyznaczyć racę indykowaną L i Pracę indykowaną L i wyznacza ię na odtawie zamkniętego wykreu indykatorowego rzez umowanie ól racy abolutnej w ozczególnych uwach z uwzględnieniem znaków racy: L L L L L i d r rozr w gdzie: L d raca abolutna w uwie dolotu, L r raca abolutna w uwie rężania, L rozr raca abolutna w uwie rozrężania, L w raca abolutna w uwie wylotu. Jet zatem całką funkcji rzedtawiającej zmianę ciśnienia w zależności od objętości cylindra. Jeśli znane ą wartości funkcji w ozczególnych unktach, można do obliczenia całki zatoować rzybliżone metody numeryczne. Jedną z nich jet metoda traezów olegająca na rzybliżeniu obzaru ograniczonego wykreem funkcji rzez traezy rotokątne o wyokości równej długości kroku całkowania i odtawach o długościach odowiadających wartościom funkcji w unktach węzłowych na brzegu rzedziału. Suma ól tych traezów będzie rzybliżonym olem ograniczonego obzaru. S = S 1 + S + S + S n = S i i=1 Zatoowanie metody traezów w rozważanym rzyadku jet objaśnione na ry. A.. n [Pa] i i-1 i i-1 Si V i-1 Ry. A.. Zaada całkowania metodą traezów V i V [m ]
9 Przedział zmiany funkcji (V) [-60, +60 ] jet dzielony na n egmentów rzybliżanych traezami rotokątnymi. Wyokość traezu równa długości kroku całkowania wynoi ΔV=V i-v i-1 (i=1,, n) i odowiada zmianie wartości objętości odcza obrotu wału korbowego o 1 OWK. Podtawy o długościach odowiadających wartościom funkcji w unktach węzłowych na brzegu rzedziału wynozą odowiednio i-1, i. Pole i-tego traezu wynoi zatem: S i = i 1+ i (V i V i 1 ) n i=1..,.n S i = L indykowana [J] i=1 Wyznaczyć średnie ciśnienie indykowane iśr Średnie ciśnienie indykowane jet to takie tałe ciśnienie umowne, które działając na tłok w czaie uwu rozrężania wykona taką amą racę jak zmienne ciśnienie rzeczywite działające na tłok w czaie całego cyklu roboczego. _ Ry. A.. Średnie ciśnienie indykowane i rzedtawione na wykreie indykatorowym ilnika wolnoącego - L i=ole(+) - ole(-) Średnie ciśnienie indykowane (ry. A.) jet obliczane z zależności: Li i V gdzie: L i raca indykowana, V objętość kokowa jednego cylindra. 5 Obliczyć moc indykowaną ilnika N i i Li Ni t gdzie: i - liczba cylindrów, t cza wykonania racy L i. Praca L i w ilniku -uwowym jet wykonywana w czaie dwóch obrotów wału korbowego ilnika, a zatem: 60 t [ ], n gdzie: n [obr/min] rędkość obrotowa wału korbowego ilnika. 6 Wyznaczyć średnie ciśnienie użyteczne e Średnie ciśnienie użyteczne wyznacza ię z zależności:
10 60 N e e V n gdzie: e [MPa] średnie ciśnienie użyteczne, N e [kw] moc użyteczna ilnika, n [obr/min] rędkość obrotowa wału korbowego ilnika, V [dm ] - objętość kokowa ilnika, - wółczynnik uwzględniający liczbę uwów na jeden cykl roboczy, = dla ilnika czterouwowego. 7 Wyznaczyć racę użyteczną L e Pracę użyteczną wyznacza ię z zależności: Le e V gdzie: V - objętość kokowa jednego cylindra, 8 Wyznaczyć rawność mechaniczną η m e Le N m L N i i e i 9 Wyznaczyć cieło dorowadzone do jednego obiegu G Wu [MJ] 60 n i gdzie: G [kg/h] ilość aliwa zużyta rzez ilnik w ciągu jednej godziny (godzinowe zużycie aliwa), W u [MJ/kg] wartość oałowa aliwa, wółczynnik uwzględniający liczbę uwów wykonanych rzy realizacji cyklu racy wynozący dla ilnika czterouwowego, n [obr/min] rędkość obrotowa wału korbowego ilnika. 10 Wyznaczyć rawność cielną c gdzie: L i raca indykowana, - cieło dorowadzone do jednego obiegu. 11 Wyznaczyć rawność ogólną L e o gdzie: L e raca użyteczna, - cieło dorowadzone do jednego obiegu. L i 1 Dobrać obieg teoretyczny (unkt B) i nałożyć go na zamknięty wykre indykatorowy (ry. A.5) Ry. A.5. Zamknięty wykre indykatorowy z nałożonym obiegiem teoretycznym
11 1 Wyznaczyć rawność teoretyczną η t t gdzie: L t raca teoretyczna obiegu (obliczenia w unkcie B), cieło dorowadzone do jednego obiegu. 1 Wyznaczyć rawność indykowaną η i Li i Lt gdzie: L t raca teoretyczna obiegu (obliczenia w unkcie B), L i raca indykowana. L t 15 Zetawienie rawności a) Srawność teoretyczna η t L t t b) Srawność indykowana η i (wewnętrzna) Li i Lt c) Srawność cielna η c L i c a można ją zaiać również tak: Li Lt i c t i d) Srawność mechaniczna η m Le m Li e) Srawność ogólna η o L e o Ta rawność charakteryzuje cały roce rzetwarzania energii i można ją również zaiać natęująco: o t i m lub o c m Powyżzą zależność otrzymuje ię natęująco: Le Li m Lt i m o t i m c m 16 Sorządzić wykre bilanu (unkt C) 17 Oiać wykre indykatorowy Na wykre indykatorowy zamknięty nanieść: objętość komory alania, objętość kokową, wartość średniego ciśnienia indykowanego (ry. A.) i użytecznego, zaznaczyć ola odowiadające racy indykowanej i racy użytecznej a także orientacyjne unkty otwarcia i zamknięcia zaworów oraz unkt zaoczątkowania roceu alania. 18 Podać rzykładowe wartości średniego ciśnienia użytecznego
1 Średnie ciśnienie użyteczne e jet wkaźnikiem charakteryzującym rzeczywitą zdolność wykonania racy użytecznej rzez ilnik. Nazywane jet też wydajnością ilnika. Jet jednym ze wkaźników wykorzytywanych do orównywania ilników. Wyznaczyć wartości średniego ciśnienia użytecznego w warunkach znamionowych dla kilku dowolnie wybranych ilników. Wyniki rzedtawić n. w otaci tabeli 1. Porównać uzykane wartości zwracając uwagę na oób załonu, doładowanie, rok rodukcji naędzanego ojazdu it., i formułować wnioki. Tabela 1 Samochód albo ty ilnika Moc makymalna N N [kw] Prędkość obrotowa mocy makymalnej n N [obr/min] Objętość Liczba kokowa ilnikacylindrów V [dm ] i Stoień rężania ε Ciśnienie użyteczne e [MPa] B. DOBÓR PORÓWNAWCZEGO OBIEGU TEORETYCZNEGO Doboru orównawczego obiegu teoretycznego dokonuje ię na odtawie obliczonej wartości ciśnienia gazu o zakończeniu roceu rężania (unkt na ry.b.1, B., B.) oraz ilości energii cielnej dotarczonej do jednego obiegu w jednym cylindrze ilnika. Założenia do obliczeń: czynnikiem roboczym w orównawczym obiegu teoretycznym jet owietrze traktowane jako gaz dokonały o natęujących arametrach: tała gazowa R= 87 J/(kg K), wykładnik izentroy k=c /c v = 1,, arametry oczątkowe roceu rężania: 1 = 1 bar, T 1 = K, W obiegach teoretycznych rzyjmuje ię natęujące arametry czynnika roboczego na oczątku rężania: ciśnienie równe ciśnieniu otoczenia w rzybliżeniu 1 bar, temeratura taka jak temeratura czynnika roboczego w ilniku, tj. temeratura otoczenia lu rzyrot temeratury czynnika w wyniku odgrzania od gorących elementów ilnika. makymalne ciśnienie obiegu max takie jak na wykreie indykatorowym, do obiegu jet dotarczane cieło zawarte w aliwie zużytym rzez ilnik (część A. Oracowanie danych,. 9), objętość kokowa jednego cylindra V, objętość komory alania V k, toień rężania ε takie jak w badanym ilniku. W obiegu teoretycznym rężanie i rozrężanie odbywa ię według olitroy o wykładniku k (izentroa) a wyrowadzenie cieła odbywa ię izochorycznie. Dorowadzanie cieła może odbywać ię izochorycznie (teoretyczny obieg Otta, ry. B.1, wykre T-S - ole a,,,b), izobarycznie (teoretyczny obieg Diela ry. B., wykre T-S - ole a,,,b) lub częściowo izochorycznie a częściowo izobarycznie (teoretyczny obieg Sabathego, ry. B., wykre T-S - ole a,,a,b, ole b,a,,c). Soób dorowadzania cieła do dobieranego obiegu teoretycznego utala ię na odtawie obliczonej wartości ciśnienia gazu o zakończeniu roceu rężania w obiegu teoretycznym. Możliwe ą natęujące rzyadki: Końcowe ciśnienie roceu rężania (unkt, ry. B.1, B., B.) jet równe makymalnemu ciśnieniu obiegu - cieło może być dorowadzone do biegu tylko izobarycznie. Obiegiem orównawczym będzie wtedy teoretyczny obieg Diela. Końcowe ciśnienie roceu rężania (unkt, ry. B.1, B., B.) jet niżze od makymalnego ciśnienia obiegu - należy obliczyć ilość cieła otrzebnego do uzykania ciśnienia makymalnego, które mui być dorowadzone do obiegu izochorycznie v.
1 Jeśli ilość cieła v jet równa ciełu, to obiegiem orównawczym będzie teoretyczny obieg Otta. Jeśli ilość cieła v jet mniejza od cieła, to ich różnica mui być dorowadzona do obiegu izobarycznie: v Dorowadzanie cieła częściowo izochorycznie a częściowo izobarycznie jet charakterytyczne dla teoretycznego obiegu Sabathego. T V=cont.. L t 1 b a V k V V 1 a V=cont.. b S Ry B.1. Obieg Otta T L t =cont. 1 1 b a a V k V V Ry. B.. Obieg Diela V=cont. b S T a L t V=cont.. =cont.. a 1 b a V k V V 1 a b V=cont.. c S Ry. B.. Obieg Sabathego Obliczenie końcowego ciśnienia roceu rężania (unkt ): Bez względu na to, który obieg teoretyczny zotanie rzyjęty jako obieg orównawczy, arametry tanu gazu na oczątku (unkt 1) i na końcu rężania (unkt ) ą w każdym obiegu takie ame i wynozą:
1 - unkt 1: 1 = 1 bar, T 1 = K, V 1 V1 V S V k V1 Vk V tąd: Vk 1 D V S S - objętość kokowa jednego cylindra, D średnica cylindra, S kok tłoka. - unkt : V V k k V 1 k 1 V 1 - równanie olitroy rężania (izentroa) V T M R 1 V1 gdzie: M R T1 Jeśli wartość ciśnienia będzie równa makymalnemu ciśnieniu na wykreie indykatorowym, to obiegiem orównawczym będzie obieg Diela. Jeśli wartość ciśnienia będzie mniejza od makymalnego ciśnieniu na wykreie indykatorowym to o doborze obiegu orównawczego rzeądzi wartość cieła dotarczonego do obiegu izochorycznie. Obliczenie cieła dorowadzonego do obiegu izochorycznie v Do obliczenia cieła v jet niezbędna, orócz wartości arametrów tanu gazu w unktach 1 i, również wartość arametrów tanu gazu w unkcie (obieg Otta) i w unkcie a (obieg Sabathego). - Obieg Otta, unkt (ry. B.1.): max V V Vk V T M R 1 V1 gdzie: M R T1 1 = 1 bar, T 1 = K, V 1 arametry tanu gazu na oczątku rężania (unkt 1) M c ( T T) v v Jeśli v, to teoretycznym obiegiem orównawczym będzie obieg Otta. - Obieg Sabathego unkt a (ry. B..) a max V a V Vk a Va T a M R 1 V1 gdzie: M R T1 1 = 1 bar, T 1 = K, V 1 arametry tanu gazu na oczątku rężania (unkt 1) M c ( T T) v v a
15 Jeśli energia cielna v jet mniejza od energii, to ich różnica mui być dotarczona do obiegu izobarycznie: M c T T ) v ( a Teoretycznym obiegiem orównawczym będzie obieg Sabathego. Cieło właściwe rzy tałej objętości c v i cieło właściwe rzy tałym ciśnieniu c oblicza ię korzytając z zależności: R c c c k c v v Wyznaczenie arametrów tanu gazu w ozotałych charakterytycznych unktach obiegu teoretycznego i rawności teoretycznej - OBIEG OTTA: Cieło dorowadzone izochorycznie do obiegu: d unkt : V V 1 k V k V V T M R Cieło wyrowadzone izochorycznie z obiegu: od M cv ( T 1 T) Srawność teoretyczna obiegu Otta: d od t d - OBIEG DIESLA: unkt : max Cieło dorowadzone izobarycznie do obiegu: M c ( T ) T T d T M c M R T V unkt : V V 1 V V gdzie: r, k k r
16 V T V T V T M R Cieło wyrowadzone izochorycznie z obiegu: od M cv ( T 1 T) Srawność teoretyczna obiegu Diela: d od t d - OBIEG SABATHEGO: Cieło dotarczone do obiegu: d unkt : a max Cieło dotarczone izobarycznie do obiegu: M c T T ) Stąd: T T a M c M R T V unkt : V V 1 v k ( a V k r V gdzie: r V T Va T a V T M R Cieło wyrowadzone izochorycznie z obiegu: od M cv ( T 1 T) Srawność teoretyczna obiegu Sabathego: d od t d Wyznaczenie mocy teoretycznej ilnika Praca teoretyczna obiegu: L t d od Moc teoretyczna obiegu: Lt Nt1 t
17 60 gdzie: t [ ], n [obr/min] rędkość obrotowa wału korbowego ilnika. n Moc teoretyczna ilnika: Nt i N t1 gdzie: i - liczba cylindrów Wyznaczenie średniego ciśnienia teoretycznego Lt t V gdzie: L t raca teoretyczna (raca obiegu teoretycznego), V objętość kokowa jednego cylindra. C. SPRAWNOŚCI I BILANS ENERGII Dla urządzeń, których celem jet oddawanie energii na zewnątrz (ilniki cielne i inne rzetworniki energii), można rzedtawić chemat trat i rzekazywania energii natęująco (ry. C.1.) [5]. Na jego odtawie można wyznaczyć rawność badanego urządzenia, czyli kuteczność zamiany energii cielnej zawartej w dotarczanym do niego aliwie na energię mechaniczną rzekazywaną rzez to urządzenie do odbiornika mocy lub momentu. Energia obierana Straty II zaady termodynamiki (traty wylotu) L t Praca teoretyczna Straty cielne (traty chłodzenia) L i Praca wewnętrzna (indykowana) Straty mechaniczne L e Praca użyteczna (efektywna) Ry. C.1. Schemat trat i rzekazywania energii w ilnikach cielnych W raktyce ilnikowej [1], [], [7], jet owzechnie toowany oób określania rawności zgodny z normą PN 81/M 01501. a) Srawność teoretyczna η t L t t Jet to rawność uwzględniająca konieczność oddawania cieła w obiegu zamkniętym, zgodnie z drugą zaadą termodynamiki. Praca L t jet racą, jaka zotałaby wykonana rzez ilnik, gdyby racował zgodnie z rzyjętym obiegiem wzorcowym. jet ilością cieła dotarczaną do ilnika w czaie jednego obiegu. Srawność teoretyczna jet miarą trat cieła oddawanego dolnemu źródłu; odowiednikiem tych trat w ilniku rzeczywitym ą traty wylotu. b) Srawność indykowana η i (wewnętrzna) Li i L t
18 Ta rawność uwzględnia traty tyu cielnego owtające rzy realizacji obiegu orównawczego (wzorcowego) w cylindrze ilnika rzeczywitego, a zatem traty wywołane różnicą właściwości rzeczywitego czynnika roboczego w tounku do gazów dokonałych (zmienność cieła właściwego i dyocjacja roduktów alania), niewłaściwym roceem alania, chłodzeniem oraz traty wywołane dławieniem odcza rzeływów związanych z wymianą Ładunku. L i tanowi racę wykonaną rzez ilnik o uwzględnieniu trat cielnych. c) Srawność cielna η c Srawność cielna całkowicie charakteryzuje obieg rzeczywity ilnika, tj, uwzględnia wzytkie traty cielne. Definiowana jet natęująco: L i c a można ją zaiać również tak: Li c Lt i t i d) Srawność mechaniczna η m Le m Li Uwzględnia traty tyu mechanicznego. L e oznacza racę użyteczną ilnika, to znaczy tę, która może być oddana rzez ilnik na zewnątrz i wykorzytana użytecznie. Srawność mechaniczna jet miarą trat na tarcie w mechanizmach ilnika i na naęd mechanizmów omocniczych. e) Srawność użyteczna η o L e o Ta rawność charakteryzuje cały roce rzetwarzania energii i można ją również zaiać natęująco: o t i m lub o c m Powyżzą zależność otrzymuje ię natęująco: Le Li m Lt i m o t i m Bilan energii ilnika cielnego można rzedtawić w otaci wykreu zwanego wykreem Sankeya (ry. C..). Podane na ryunku wartości trat [7] należy traktować jako rzybliżone wartości rzeciętne.
19 100% L t L i Straty wylotu 9% L e Straty chłodzenia % Praca użyteczna % Ry. C.. Bilan energii ilnika cielnego Straty mechaniczne 7% energia obierana rzez układ jet to energia zawarta w aliwie zużywanym rzez ilnik i teoretycznie wywiązująca ię w cylindrze odcza roceu alania całkowitego i zuełnego. WYKAZ LITERATURY 1. Bernhardt M., Dobrzyńki S., Loth E. Silniki amochodowe. WKiŁ, Warzawa 1988.. Jędrzejowki J.: Obliczenie tłokowego ilnika alinowego. WKiŁ, Warzawa 1988.. Jędrzejowki J.: Mechanika układów korbowych ilników amochodowych. WKiŁ, Warzawa 1986.. Niewiarowki K.: Tłokowe ilniki alinowe. WKiŁ, Warzawa 198. 5. Stanizewki B.: Termodynamika, PWN, Warzawa 1978. 6. Wajand J. T.: Pomiary zybkozmiennych ciśnień w mazynach tłokowych. WNT, Warzawa 197. 7. Wajand J.A., Wajand J.T.: Tłokowe ilniki alinowe średnio i zybkoobrotowe. WNT, Warzawa 199 8. Norma PN ISO 710-1:007 Silniki alinowe tłokowe - Terminologia- Część 1:Terminy dotyczące kontrukcji i racy ilnika 9. Norma PN 81/M 01501 - Silniki alinowe tłokowe Podtawowe wielkości i arametry terminologia D. DODATEK (dla zaintereowanych) 1. Wyznaczenie chwilowej wartości objętości cylindra V(α) Całkowita objętość cylindra V jet umą objętości komory alania V k i objętości kokowej cylindra V. Chwilowa wartość objętości cylindra wynoi: V( ) V k V (1) i zależy od chwilowego ołożenia tłoka w cylindrze ilnika, a więc od kąta obrotu wału korbowego. Objętość V k wyznacza ię natęująco: V Vk 1 gdzie: D V S - objętość kokowa jednego cylindra,
l+r S=r 0 toień rężania, D średnica cylindra, S kok tłoka, a objętość V () natęująco: D V x () gdzie: x(α) chwilowa wartość rzemiezczenia tłoka w cylindrze. Chwilową wartość rzemiezczenia tłoka x(α), zwaną drogą tłoka, wyznacza ię z zależności trygonometrycznych w mechanizmie tłokowo-korbowym. Jet to odległość rzebyta rzez tłok od górnego martwego unktu (GMP). Oznacza ię ją rzez x (ry. D.1). GMP x A y l O B r=s/ DMP x Ry. D.1. Schemat układu korbowego ymetrycznego (zbieżnooiowego) r = S/ romień wykorbienia, l długość korbowodu (odległość oi worznia od oi czoa korbowego), S - kok tłoka, x chwilowa wartość drogi tłoka liczona od GMP, - kąt obrotu ramienia wykorbienia (wału korbowego) liczony od GMP, - kąt omiędzy oią korbowodu i oią cylindra (oś x) Drogę tłoka wyznacza ię natęująco: 1 x r l r co l co r (1 co) l(1 co ) r (1 co) (1 co ) () k gdzie: λ k wółczynnik korbowodu r k l Przeciętne wartości λ k wynozą: λ k = 0,1 0,1. Z trójkąta OAB wyznacza ię zależność kąta od kąta : l r in in kąd: in in a zatem: k co 1in 1 k in Podtawiając owyżze wyrażenie do () otrzymuje ię zależność oiującą drogę tłoka:
1 1 r co 1 1 in x 1 k () k Po odtawieniu zależności () do zależności () otrzymuje ię: D 1 V r 1 co 1 1 k in (5) k a o uwzględnieniu (5) w zależności (1) otrzymuje ię zależność oiującą chwilową wartość całkowitej objętości cylindra: D 1 V Vk r 1 co 1 1 k in (6) k Po uwzględnieniu zależności (6) w arkuzu rogramu Excel z danymi do ćwiczenia i wykonaniu toownych obliczeń, uzyka ię dane umożliwiające wyznaczenie zamkniętego wykreu indykatorowego.. Ilość energii dotarczonej z aliwem w czaie cyklu racy ilnika Ilość energii dotarczonej do ilnika wyznacza ię na odtawie godzinowego zużycia aliwa G (wielkość charakterytyczna dla danego ilnika, wyznaczana odcza badań ilnika w hamowni) oraz wartości oałowej tego aliwa W u (ilość energii uzykana odcza alenia jednego kilograma aliwa w warunkach określonych w toownej normie). Ilość energii dotarczonej do ilnika w ciągu jednej godziny G W u gdzie: [MJ/h] wydatek energii dotarczonej do ilnika w ciągu jednej godziny, G [kg/h] ilość aliwa zużyta rzez ilnik w ciągu jednej godziny (zużycie godzinowe aliwa), W u [MJ/kg] wartość oałowa aliwa dla oleju naędowego wynoi około MJ/kg. Ilość energii dotarczonej do jednego cylindra w ciągu godziny: i gdzie: i liczba cylindrów. Ilość energii dotarczonej do jednego obiegu (lub cyklu racy): icr i icr gdzie: i cr ilość cykli racy zrealizowanych w jednym cylindrze wciągu jednej godziny. Ilość cykli racy i cr oblicza ię, znając rędkość obrotową ilnika n [obr/min], natęująco: - w ciągu jednej godziny wał korbowy ilnika wykona x obrotów obr x n 60[min] min - w rzyadku ilnika czterouwowego odowiada to zrealizowaniu rzez ilnik x/ cykli racy (jeden cykl racy w ilniku czterouwowym jet realizowany odcza dwóch obrotów wału korbowego ilnika) obr n 60min x min cykli racy i cr 0 n h - w rzyadku ilnika dwuuwowego (jeden cykl racy jet realizowany odcza jednego obrotu) odowiada to zrealizowaniu x cykli racy obr cykli racy i cr x n 60min 60 n min h Ilość energii dotarczonej do jednego obiegu (lub cyklu racy) wynoi zatem:
- dla ilnika czterouwowego G Wu icr i 0 n i - dla ilnika dwuuwowego G Wu icr i 60 n i Wrowadzając w owyżzych zależnościach zai : 60 60 0 oraz 60 gdzie: τ wółczynnik uwzględniający liczbę uwów wykonanych rzy realizacji jednego cyklu racy, wynozący 1 dla ilnika dwuuwowego a dla ilnika czterouwowego, otrzymuje ię zależność: G Wu 60 n i Wielkości w owyżzych zależnościach mają natęujące jednotki: [MJ], G [kg/h], W u [MJ/kg], n [obr/min]. Moc ilnika.1. Definicje mocy (wg PN ISO 710-1:007) Moc indykowana całkowita moc rozwijana w cylindrach ilnika w wyniku działania ciśnienia czynnika roboczego na tłoki. Moc trat tarcia - moc niezbędna do okonania tarcia mechanicznego i dotarczenia energii niezbędnej do naędu urządzeń omocniczych. Moc użyteczna - moc zmierzona na wale korbowym, rzekazywana mazynie naędzanej lub rzekładni w dowolnych warunkach racy. Jet równa mocy indykowanej omniejzonej o moc trat tarcia... Obliczenie mocy inika Ogólny wzór, na odtawie którego oblicza ię moc ilnika, ma otać V n i N (1a) 60 lub V n N (1b) 60 gdzie: N moc ilnika w [kw], średnie ciśnienie obiegu [kpa] jeśli V [m ] lub [Pa] jeśli V [dm ], V objętość kokowa jednego cylindra [m ] jeśli [kpa] lub [dm ] jeśli [Pa], V =V i objętość kokowa ilnika (w takich amych jednotkach jak V ) n - rędkość obrotowa wału korbowego ilnika [obr/min], i liczba cylindrów, τ wółczynnik uwzględniający liczbę uwów wykonanych rzy realizacji cyklu racy; wynoi 1 dla ilnika dwuuwowego, dla ilnika czterouwowego W zależności (1a) iloczyn V oznacza racę wykonaną w jednym cylindrze i ma wymiar [J] lub [kj]. Szybkość wykonywania racy (rzekazywania energii) jet zwana mocą. Zależność (1a) otrzymuje ię natęująco: - zgodnie z ogólną definicją mocy L N () t Jednym z arametrów charakteryzujących ilnik jet średnie ciśnienie obiegu. Jet ono definiowane natęująco:
L V W zależności od tego, dla jakiego obiegu jet wyznaczane średnie ciśnienie, należy w owyżzej zależności uwzględnić toowną racę. I tak dla obiegu teoretycznego będzie to raca L t a średnie ciśnienie będzie średnim ciśnieniem obiegu teoretycznego (średnie ciśnienie teoretyczne) oznaczanym t, dla wykreu indykatorowego będzie to raca indykowana L i i średnie ciśnienie indykowane i, dla wielkości mierzonych na wyjściu z ilnika (na kole zamachowym) będzie to raca użyteczna (efektywna) L e i średnie ciśnienie użyteczne (efektywne) e. Korzytając z definicji średniego ciśnienia obiegu i nie recyzując jakiego obiegu ono dotyczy, można zależność () dla jednego cylindra zaiać natęująco: V N1 () t Cza t w jakim jet wykonywana raca, wyznacza ię natęująco: - znając rędkość obrotową wału korbowego ilnika można obliczyć cza jednego obrotu wału t 1 60 t1 n gdzie: n [obr/min] rędkość obrotowa wału korbowego ilnika - cza realizacji jednego cyklu racy t, czyli cza w jakim jet wykonywana raca, oblicza ię amiętając, że w ilniku czterouwowym jeden cykl racy jet realizowany odcza dwóch obrotów wału korbowego, a w ilniku dwuuwowym odcza jednego obrotu 60 - ilnik czterouwowy: t t 1 n 60 - ilnik dwuuwowy: t t1 1 n Uwzględniając owyżze zależności we wzorze () otrzymuje ię: - dla ilnika czterouwowego: V V n N1 6o 10 n - dla ilnika dwuuwowego: V V n N1 6o 1 60 n Oznaczając w owyżzych wzorach liczbę oraz 1 rzez otrzymuje ię: V n N1 60 Uwzględniając, że moc ilnika jet umą mocy uzykanej w ozczególnych cylindrach otrzymuje ię wzór (1a) w natęującej otaci: V n i N N1 i (a) 60 lub uwzględniając, że V V i jet objętością kokową całego ilnika, otrzymuje ię wzór (1b) w natęującej otaci: V n N (b) 60 Wzór (a) rzyjmie otać: - dla obiegu teoretycznego moc teoretyczna, t V n i Nt 60 - dla arametrów indykowanych ilnika moc indykowana,
i V ni Ni 60 - dla arametrów użytecznych ilnika moc użyteczna, e V n i Ne 60 Wielkości w owyżzych zależnościach mogą mieć natęujący wariant jednotek: N [kw], [Pa], V [dm ], n [obr/min] lub N [kw], [kpa], V [m ], n [obr/min] a wynoi 1 (ilnik dwuuwowy) lub (ilnik czterouwowy).