THE THERMODYNAMIC CYCLES FOR THE DOUBLE PISTONS INTERNAL COMBUSTION ENGINE OBIEGI PRACY DWUTŁOKOWEGO SILNIKA SPALINOWEGO

Podobne dokumenty
Laboratorium z Konwersji Energii SILNIK SPALINOWY

Obieg Ackeret Kellera i lewobieżny obieg Philipsa (Stirlinga) podstawy teoretyczne i techniczne możliwości realizacji

Termodynamika. Część 5. Procesy cykliczne Maszyny cieplne. Janusz Brzychczyk, Instytut Fizyki UJ

PORÓWNANIE WYKRESU INDYKATOROWEGO I TEORETYCZNEGO - PRZYKŁADOWY TOK OBLICZEŃ

PL B1. IZOLING-AKAM SPÓŁKA Z OGRANICZONĄ ODPOWIEDZIALNOŚCIĄ, Tarnowskie Góry, PL BUP 06/04

Silniki tłokowe. Dr inŝ. Robert JAKUBOWSKI

[1] CEL ĆWICZENIA: Identyfikacja rzeczywistej przemiany termodynamicznej poprzez wyznaczenie wykładnika politropy.

Obieg Ackeret-Kellera i lewobieżny obieg Philipsa (Stirlinga) - podstawy teoretyczne i techniczne możliwości realizacji.

Konspekt Obieg Ackeret-Kellera i lewobieżny obieg Philipsa (Stirlinga) podstawy teoretyczne i techniczne możliwości realizacji.

DOUBLE PISTONS INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Obieg Ackereta-Kellera i lewobieżny obieg Philipsa(Stirlinga)

Tomasz P. Olejnik, Michał Głogowski Politechnika Łódzka

SILNIKI SPALINOWE RODZAJE, BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA

Obiegi gazowe w maszynach cieplnych

Wpływ rodzaju paliwa gazowego oraz warunków w procesu spalania na parametry pracy silnika spalinowego mchp

1. Wprowadzenie. 2. Klasyfikacja i podstawowe wskaźniki charakteryzujące pracę silników spalinowych. 3. Paliwa stosowane do zasilania silników

Para wodna najczęściej jest produkowana w warunkach stałego ciśnienia.

Wymagania edukacyjne Technologia napraw zespołów i podzespołów mechanicznych pojazdów samochodowych

Pytania na egzamin dyplomowy specjalność SiC

Pojazdy rolnicze. W rolnictwie znajdują zastosowanie następujące pojazdy:

Lewobieżny obieg gazowy Joule a a obieg parowy Lindego.

Rodzaje pracy mechanicznej

TEMAT: PARAMETRY PRACY I CHARAKTERYSTYKI SILNIKA TŁOKOWEGO

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(92)/2013

Przy prawidłowej pracy silnika zapłon mieszaniny paliwowo-powietrznej następuje od iskry pomiędzy elektrodami świecy zapłonowej.

Rys. 1. Obieg cieplny Diesla na wykresach T-s i p-v: Q 1 ciepło doprowadzone; Q 2 ciepło odprowadzone

PL B1. MICHAŁOWICZ ROMAN, Ostróda, PL DOMAŃSKI JERZY, Olsztyn, PL BUP 22/08

Wykład FIZYKA I. 14. Termodynamika fenomenologiczna cz.ii. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Projekt Inżynier mechanik zawód z przyszłością współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Koninie. Janusz Walczak

1. Wprowadzenie 1.1. Krótka historia rozwoju silników spalinowych

Transport I stopień (I stopień / II stopień) ogólnoakademicki (ogólno akademicki / praktyczny) studia niestacjonarne (stacjonarne / niestacjonarne)

IDENTIFICATION OF NUMERICAL MODEL AND COMPUTER PROGRAM OF SI ENGINE WITH EGR

OBLICZENIA SILNIKA TURBINOWEGO ODRZUTOWEGO (rzeczywistego) PRACA W WARUNKACH STATYCZNYCH. Opracował. Dr inż. Robert Jakubowski

BADANIE SPRĘŻARKI TŁOKOWEJ.

Przemiany termodynamiczne

AKADEMIA MORSKA w GDYNI WYDZIAŁ MECHANICZNY

2. Klasyfikacja i podstawowe wskaźniki charakteryzujące pracę silników spalinowych

Spalanie detonacyjne - czy to się opłaca?

PRACA MINIMALNA ZIĘBNICZEGO OBIEGU LEWOBIEŻNEGO

BADANIA SPRĘŻARKI TŁOKOWEJ

INNOWACYJNY SILNIK z aktywną komorą spalania

PL B1. POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, Wrocław, PL BUP 08/09. CZESŁAW KOZIARSKI, Wrocław, PL WUP 09/13

Klasyfikacja systemów rozrządu silników spalinowych. Opracował: Robert Urbanik Zespół Szkół Mechanicznych w Opolu

Zadania domowe z termodynamiki I dla wszystkich kierunków A R C H I W A L N E

Mechanika i Budowa Maszyn Studia pierwszego stopnia

3. Przyrost temperatury gazu wynosi 20 C. Ile jest równy ten przyrost w kelwinach?

PORÓWNAWCZE CYKLE PRACY SILNIKA Z WIELOETAPOWYM WTRYSKIEM PALIWA

Techniki niskotemperaturowe w medycynie

Spis treści. Przedmowa WPROWADZENIE DO PRZEDMIOTU... 11

M. Chorowski, Podstawy Kriogeniki, wykład Chłodziarki z regeneracyjnymi wymiennikami ciepła.

Przemiany gazowe. 4. Który z poniższych wykresów reprezentuje przemianę izobaryczną: 5. Który z poniższych wykresów obrazuje przemianę izochoryczną:

ĆWICZENIE 18 ANALIZA UKŁADU NAPĘDOWEGO CIĄGNIKA

Rok akademicki: 2014/2015 Kod: SEN EW-s Punkty ECTS: 5. Kierunek: Energetyka Specjalność: Energetyka wodorowa

OBLICZENIA SILNIKA TURBINOWEGO ODRZUTOWEGO (SILNIK IDEALNY) PRACA W WARUNKACH STATYCZNYCH

PROBLEMATYKA WYMIANY ŁADUNKU W CYLINDRACH LOTNICZEGO SILNIKA TŁOKOWEGO

Skrócony opis patentowy rotacyjnego silnika spalinowego i doładowarki do tego silnika lub maszyna chłodnicza i grzewcza

TERMODYNAMIKA. przykłady zastosowań. I.Mańkowski I LO w Lęborku

Druga zasada termodynamiki, odwracalność przemian, silniki cieplne, obiegi

Teoria termodynamiczna zmiennych prędkości cząsteczek gazu (uzupełniona).

Druga zasada termodynamiki, odwracalność przemian, silniki cieplne, obiegi

I. KARTA PRZEDMIOTU CEL PRZEDMIOTU

Lewobieżny obieg gazowy Joule a a obieg parowy Lindego.

ZESZYTY NAUKOWE NR 10(82) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE

POMIARY OPORÓW WEWNĘ TRZNYCH SILNIKA SPALINOWEGO

Hist s o t ri r a, a, z a z s a a s d a a a d zi z ał a a ł n a i n a, a

Silniki pojazdów samochodowych : podręcznik do nauki zawodu Technik pojazdów samochodowych / aut. Richard Fischer [et al.].

Silniki pojazdów samochodowych

1. 1 J/(kg K) nie jest jednostką a) entropii właściwej b) indywidualnej stałej gazowej c) ciepła właściwego d) pracy jednostkowej

Zespół Szkół Samochodowych w Bydgoszczy

Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych Instytut Pojazdów LABORATORIUM POKŁADOWEJ DIAGNOSTYKI POJAZDÓW

Wykład 7: Przekazywanie energii elementy termodynamiki

SPECJALIZACJA BUDOWA SILNIKÓW SPALINOWYCH Z MECHATRONIKĄ

WYKŁAD 2 TERMODYNAMIKA. Termodynamika opiera się na czterech obserwacjach fenomenologicznych zwanych zasadami

POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY

Karta (sylabus) przedmiotu

OKREŚLENIE WPŁYWU WYŁĄCZANIA CYLINDRÓW SILNIKA ZI NA ZMIANY SYGNAŁU WIBROAKUSTYCZNEGO SILNIKA

I. KARTA PRZEDMIOTU CEL PRZEDMIOTU

Amoniakalne urządzenia chłodnicze Tom I

,EP,

Dalsze informacje na temat przyporządkowania i obowiązywnania planu konserwacji: patrz Okólnik techniczny (TR) 2167

Techniki Niskotemperaturowe w Medycynie. Skraplarka Claude a i skraplarka Heylandta (budowa, działanie, bilans cieplny, charakterystyka techniczna).

DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI

PL B1. OSTROWSKI LESZEK, Gdańsk-Wrzeszcz, PL OSTROWSKI STANISŁAW, Gdańsk-Wrzeszcz, PL BUP 26/10

Materiały pomocnicze do laboratorium z przedmiotu Metody i Narzędzia Symulacji Komputerowej

Kongres Innowacji Polskich KRAKÓW

AKADEMIA MORSKA w GDYNI WYDZIAŁ MECHANICZNY

I. KARTA PRZEDMIOTU CEL PRZEDMIOTU

Charakterystyki prędkościowe silników spalinowych

Skraplarki Claude a oraz Heylandta budowa, działanie, bilans cieplny oraz charakterystyka techniczna

CHARAKTERYSTYKI PRACY SILNIKA HCCI ZASILANEGO BIOGAZEM

Technika Samochodowa

DOBÓR PARAMETRÓW PRACY SILNIKA SPALINOWEGO O ZAPŁONIE ISKROWYM Z OBIEGIEM ATKINSONA W HYBRYDOWYM UKŁADZIE NAPĘDOWYM

POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY Katedra Energetyki i Aparatury Przemysłowej PRACA SEMINARYJNA

Moment obrotowy i moc silnika a jego obciążenie (4)

TECHNIKI NISKOTEMPERATUROWE W MEDYCYNIE

autor: Włodzimierz Wolczyński rozwiązywał (a)... ARKUSIK 19 TERMODYNAMIKA CZĘŚĆ 2. I ZASADA TERMODYNAMIKI

Skraplanie czynnika chłodniczego R404A w obecności gazu inertnego. Autor: Tadeusz BOHDAL, Henryk CHARUN, Robert MATYSKO Środa, 06 Czerwiec :42

Rok akademicki: 2014/2015 Kod: STC TP-s Punkty ECTS: 3. Kierunek: Technologia Chemiczna Specjalność: Technologia paliw

W pierwszym doświadczeniu nastąpiło wrzenie wody spowodowanie obniżeniem ciśnienia.

Transkrypt:

Journal of KONES Internal Combustion Engines 2002 No. 3 4 ISSN 1231 4005 THE THERMODYNAMIC CYCLES FOR THE DOUBLE PISTONS INTERNAL COMBUSTION ENGINE Adam Ciesiołkiewicz Instytut Techniki Cieplnej Politechniki Śląskiej w Gliwicach Zakład Techniki Spalania i Silników Spalinowych ul. Konarskiego 18, 44-100 GLIWICE Tel. (032) 2371332, Fax: (032) 2372872 E-mail: ciesiol@itc.ise.polsl.gliwice.pl Abstract The conception of the double pistons internal combustion engine is based on the combination of two stroke and fourstroke engines in one cylinder. The thermodynamic cycles for new double pistons internal combustion engine are presented in this paper. The ideal cycle, the comparative cycle and the expected working engine cycle were considered. The characteristic indices of the double pistons internal combustion engine were determinated. OBIEGI PRACY DWUTŁOKOWEGO SILNIKA SPALINOWEGO Streszczenie Zasada pracy silnika dwutłokowego oparta jest na skojarzeniu w jedną całość silnika dwu i czterosuwowego. W opracowaniu przedstawiono obiegi pracy nowego silnika dwutłokowego. Wyróżniono obiegi: teoretyczny, porównawczy i prognozowany obieg rzeczywisty. Określono charakterystyczne wskaźniki pracy silnika dwutłokowego. 1. Wprowadzenie Tłokowe silniki spalinowe są najbardziej rozpowszechnionym źródłem napędu, szeroko stosowanym w różnorakich dziedzinach, głównie motoryzacji. Zakres ich wykorzystania sprawia, iż problem zużycia paliwa oraz zanieczyszczenia środowiska życia człowieka jest priorytetowym zagadnieniem dla ludzkości u progu XXI wieku. Konstrukcje współczesnych silników spalinowych, tak czterosuwowych jak i dwusuwowych, choć stale ulepszane, cechują się nadal wieloma wadami. Analizując własności obecnie stosowanych silników spalinowych, można dojść do następujących wniosków: Poprawa napełnienia cylindra (w tym zmiana sposobu wymiany ładunku) dla silnika dwusuwowego przyniosłaby wymierne korzyści w postaci zwiększenia sprawności tego silnika oraz zmniejszenia zużycia paliwa; Odpowiednia konstrukcja układu smarowania ciśnieniowego silnika dwusuwowego pozwoliłaby na ograniczenie emisji składników toksycznych w gazach wylotowych; Wydłużenie krzywej ekspansji silnika umożliwi odebranie większej porcji energii rozprężającego się gazu w cylindrze; Odpowiednio opracowana konstrukcja układu wymiany ładunku pozwoliłaby zmniejszyć udział strat mechanicznych (tarcia i sił bezwładności elementów układu rozrządu) w ogólnym bilansie silnika. 45

Konstrukcjami, w których mogą być zebrane zalety poszczególnych rodzajów silników, są silniki dwutłokowe. Interesującą konstrukcją, zdaniem autorów [1], wydaje się być silnik dwutłokowy M4+2, którego innowacyjne rozwiązania pozwalają na osiągnięcie obiecujących wskaźników pracy. 2. Dwutłokowy silnik spalinowy Koncepcja dwutłokowego silnika spalinowego oparta jest na skojarzeniu i wykorzystaniu zalet silników: dwu- i czterosuwowego. Silnik dwusuwowy charakteryzuje się prostą konstrukcją, łatwym systemem wymiany ładunku i większym wskaźnikiem mocy z jednostki objętości, posiada jednak gorszy w stosunku do silnika czterosuwowego stopień wymiany ładunku pomiędzy kolejnymi cyklami pracy i niekorzystne wskaźniki ekologiczne; natomiast minusem silnika czterosuwowego jest system zaworów. Cylindry obydwu modułów silnika (dwusuw, czterosuw) połączone zostały wzdłuż jednej osi wspólną głowicą pierścieniem, a tłoki poruszają się z różnymi prędkościami przy odpowiednim przesunięciu fazowym (rys.1). W prezentowanym rozwiązaniu stosowane są dwa wały korbowe, których obroty muszą być zsynchronizowane ze sobą przez przekładnię łączącą te wały wał części czterosuwowej obraca się dwukrotnie szybciej niż wał części dwusuwowej. Przestrzeń roboczą cylindra wyznaczają denka obydwóch tłoków i wewnętrzne powierzchnie cylindrów oraz pierścienia stąd nazwa nowego modelu jako silnik dwutłokowy. Praca silnika oparta jest na współdziałaniu obydwu modułów, z tym, że wymiana ładunku odbywa się w części dwusuwowej, a tłok części czterosuwowej jest układem wspomagającym tę wymianę w pewnym sensie tłok ten przejął rolę bezzaworowego układu wymiany ładunku. Napełnianie świeżym czynnikiem (mieszanka paliwowo-powietrzna lub powietrze) odbywa się przy nadciśnieniu (doładowanie) przez rotacyjny zawór obrotowy, natomiast spaliny usuwane są przez kanały (okna) wylotowe. Zasilanie paliwowe oparte jest na układach wtryskowych, a zapłon realizowany jest przez układ z dwiema świecami zapłonowymi. Powstałe w wyniku spalania gazy równocześnie oddziaływają na denka obydwu tłoków i moc na zewnątrz przenoszona jest przez dwa wały korbowe. Istotną cechą silnika jest sposobność zmiany pojemności skokowej i stopnia kompresji podczas pracy silnika poprzez zmianę faz położenia tłoków dzięki temu w pewnym zakresie można kształtować przebieg ciśnienia gazów podczas spalania paliwa. Dla silnika stworzono odpowiednie, bardzo interesujące modele matematyczne w zakresie mechanicznym i termodynamicznym, co umożliwiło opracowanie nowego obiegu porównawczego pracy dwutłokowego silnika spalinowego. 3. Obieg teoretyczny Obieg teoretyczny dwutłokowego silnika spalinowego bazuje na obiegu Seiligera- Sabathe go (obieg mieszany klasycznych tłokowych silników spalinowych) z istotną modyfikacją w zakresie sprężania czynnika. Schemat obiegu w układzie pracy (p-v) i w układzie ciepła (T-s) przedstawiono na rys.2. Obieg teoretyczny silnika dwutłokowego składa się z dwóch izentrop, dwóch izochor, izobary i izotermy. Stan początkowy czynnika (punkt 1) określony jest przez ciśnienie p z >p o, objętość V p i temperaturę T o. Na odcinku 1-2 następuje izentropowe sprężanie czynnika do ciśnienia p 2, po czym w wyniku spalania następuje doprowadzenie ciepła do czynnika obiegowego. Ciepło doprowadzane jest dwufazowo: najpierw przy stałej objętości kompresyjnej V 2 =V o =idem (Q dv, odcinek 2-3), a później przy stałym ciśnieniu maksymalnym p 3 =p max =idem (Q dp, odcinek 3-4). Dwufazowe doprowadzenie ciepła do czynnika w głównej mierze wynika z większego, w stosunku do silnika ZI, gradientu objętości przestrzeni roboczej w zakresie objętości kompresyjnej cylindra. W punkcie 4 czynnik osiąga maksymalną temperaturę i maksymalne ciśnienie. Fazę pracy obrazuje izentropowe rozprężanie czynnika (4-5) od ciśnienia p max do ciśnienia p 5. Charakterystyczną cechą obiegu silnika jest przedłużona ekspansja czynnika. Spadek ciśnienia na odcinku 5-6 spowodowany jest izochorocznym wyprowadzeniem ciepła (Q wv ). Pewna porcja ciepła odprowadzana jest podczas przemiany izotermicznej (6-1), przy jednoczesnym wstępnym 46

sprężeniu czynnika do ciśnienia p z. Efektywną objętość skokową cylindra V s określa różnica objętości największej i kompresyjnej V s =V max -V o. Wśród wskaźników pracy silnika dwutłokowego wyróżniono: sprawność teoretyczną η t, średnie ciśnienie teoretyczne p t, moc jednostkową N t /V s. Wskaźniki te zależą od parametrów obiegu, w tym od przyjętego zakresu temperatur i od objętości pośredniej V p. W wyniku przeprowadzonych obliczeń stwierdzono, że występuje niewielki przyrost sprawności teoretycznej i nieco większy wzrost średniego ciśnienia teoretycznego (do 30 %). Podstawowa, bardzo korzystną, cechą silnika jest duża wartość wskaźnika mocy jednostkowej, przewyższająca dotychczas spotykane wartości. 4. Obieg porównawczy i rzeczywisty silnika dwutłokowego Obieg porównawczy silnika dwutłokowego różni się od obiegu teoretycznego zmodyfikowanym przebiegiem przemian podczas wyprowadzania ciepła i zasilania przestrzeni roboczej świeżym ładunkiem. Wyprowadzenie ciepła od czynnika obiegowego odbywa się podczas izochorycznego wylotu spalin (tak jak w obiegu teoretycznym) i izobarycznego wytłaczania spalin przy p w >p o. Natomiast napełnienie przestrzeni roboczej świeżym ładunkiem następuje przy stałej objętości V p przy równoczesnym wzroście ciśnienia tego ładunku do p z. Wartość ciśnienia czynnika podczas dolotu wynika z równości temperatur T 6 =T 1. Schemat obiegu porównawczego silnika dwutłokowego przedstawiono na rys.3. Obieg porównawczy silnika dwutłokowego można porównać z obiegiem czterosuwowego silnika doładowanego (rys.4). Jak widać, uzyskuje się podobny charakter przemian, ale przy mniejszym ciśnieniu na końcu sprężania i przy jednym obrocie wału korbowego na cykl pracy silnika. Na tej podstawie można stwierdzić, że obieg porównawczy silnika dwutłokowego wykorzystuje zalety obiegu Millera i obiegu silnika Stirlinga. Schemat prognozowanego rzeczywistego obiegu dwutłokowego silnika spalinowego przedstawiono na rys.5. 5. Podsumowanie Analiza wskaźników silnika dwutłokowego wykazuje, że nowy silnik pozwala lepiej wykorzystać energię zawartą w paliwie. Osiąga on wyższe wartości wskaźników porównawczych niż klasyczne, czterosuwowe i dwusuwowe, silniki spalinowe o takiej samej objętości skokowej. Rozprężanie ładunku pomiędzy dwoma tłokami ma tę zaletę, że wyraźnie zmniejsza naprężenia działające w układzie korbowym dzięki temu, że szczyt ciśnienia w cylindrze występuje w momencie, gdy wykorbienie wału części czterosuwowej jest odchylone o pewien kąt od osi cylindra. W silniku występuje możliwość płynnej zmiany położenia tłoków względem siebie poprzez biegunowe przestawienie wałów korbowych. Umożliwia to na zmianę, w pewnych granicach, stopnia kompresji przy sprężaniu czynnika. Istnieje więc sposobność dostosowywania parametrów i osiągów silnika do warunków zewnętrznych (obciążenia częściowe, inne paliwo, itp.). Literatura 1. Ciesiołkiewicz A., Mężyk P.: Dwutłokowy silnik spalinowy. Konferencja KONES 2002, Gdańsk 2002. 2. Szargut J.: Termodynamika. PWN, Warszawa 1985. 47

a) b) Rys. 1. Dwutłokowy silnik spalinowy: a) schemat budowy silnika, b) fazy pracy i charakterystyka zmian objętości przestrzeni roboczej cylindra 48

Rys. 2. Obieg teoretyczny dwutłokowego silnika spalinowego w układzie p-v (a) i w układzie T-s (b) Rys. 3. Obieg porównanwczy dwutłokowego silnika spalinowego 49

Rys. 4. Porównanie obiegu dwutłokowego silnika spalinowego z obiegiem czterosuwowego silnika doładowanego Rys. 5. Prognozowany obieg rzeczywisty dwutłokowego silnika spalinowego 50