VI. ZAGADNIENIA:
1.Uwagi ogólne dotyczące obiegów rzeczywistych tł. silników spalinowych.
2.Założenia do obiegów porównawczych.
3.Obieg rzeczywisty silnika.
- suw dolotu
- sprężanie
- uwagi ogólne o spalaniu
- rozprężanie
- suw wylotu
LITERATURA : J.A. Wajand - "SILNIKI O ZAPLONIE SAMOCZYNNYM"
S. Ciesielski - "OKRĘTOWE SILNIKI SPALINOWE" cz. I
ZAGADNIENIA :
=============
1. UWAGI OGÓLNE DOTYCZĄCE OBIEGÓW RZECZYWISTYCH TŁOKOWYCH SILNIKÓW
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
SPALINOWYCH
----------------------------
Obiegi teoretyczne odwzorowują,w warunkach idealnych,przemiany termodynamiczne zachodzące w rzeczywistym silniku.
Wobec tego umożliwiają tylko wstępną ocenę i przeprowadzenie bardzo przybliżonej analizy analizy szeregu współzależności parametrów projektowanego silnika ,a więc w również jakości zamiany energii cieplnej na mechaniczną zachodzącą w tłokowym
silniku spalinowym.Jednak bardzo często zachodzi konieczność dokładniejszej (niż umożliwiają to obiegi teoretyczne) analizy tego
procesu.Najdogodniejszą sytuacją byłoby zaprojektowanie obiegu odwzorowującego rzeczywiste przemiany zachodzące w przestrzeni
roboczej silnika.
Obieg rzeczywisty silnika przedstawia przebieg zmian ciśnienia w cylindrze silnika podczas jego pracy,bądź w funkcji objętości
cylindra bądź w funkcji kąta obrotu wału korbowego.Wartość tego ciśnienia jest wypadkową powstającą w wyniku jednoczesnego współdziałania wszystkich zjawisk zachodzących w danej chwili w cylindrze.A zatem, ze względu na ogromną złożonośćtych zjawisk jest obecnie niemożliwe zaprojektowanie obiegu rzeczywistego.Można jedynie zaprojektować obieg porównawczy o różnym stopniu przybliżenia do obiegu rzeczywistego.Dobór tego przybliżenia zależy od projektującego oraz od stojących do dyspozycji środkoów technicznych.
Podstawą cieplnego obliczenia silnika jest więc zwykle obieg porównawczy,a nie obieg teoretyczny ani rzeczywisty.
rys.1 Obiegi silnika : a) teoretyczny, b) porównawczy, c) rzeczywisty (wykres indykatorowy)
2.ZAŁOŻENIA DO PROJEKTOWANIA OBIEGÓW PORÓWNAWCZYCH
-------------------------------------------------------------------------------------------
Obieg porównawczy umożliwia obliczeniową analizę wielu zjawisk w sposób bardziej przybliżony do rzeczywistego ich
przebiegu w cylindrze silnika.Stopień przybliżenia obiegu porównawczego do obiegu rzeczywistego zależy przede
wszystkim od projektującego i związany jest z przeznaczeniem tego obiegu i jego analizy.
Obieg porównawczy sporządza się przy założeniach,które mogą być w pewnym stopniu przyjmowane dowolnie.Oto one
- czynnikiem w obiegu jest gaz półdoskonały lub gaz rzeczywisty;uwzlędnia się więc zmienność ciepła
właściwego wraz ze zmianą temperatury
- masa czynnika biorąca udział w obiegu nie jest stała (strata czynnika przez nieszczelności cylindra)
- napełnienie cylindra świeżym ładunkiem oraz usunięcie spalin wymaga doprowadzenia pracy,którą
uwzględnia się projektując część wykresu odpowiadającą tej wymianie
- podczas wymiany ładunku w cylindrze powstają straty przepływu w kanałach dolotowych i wylotowych
powodując zmniejszenie współczynnika napełnienia;podobny wpływ ma podgrzanie świeżego ładunku
podczas przepływu przez kanał dolotowy w głowicy cylindra
- w komorze spalania po zakończonym wylocie pozostaje zawsze pewna ilość spalin,które podgrzewają świeży
ładunek oraz go zanieczyszczają
- doprowadzenie i odprowadzenie ciepła nie odbywa się poprzez podgrzewanie i oziębianie,lecz przez spalanie
mieszaniny paliwowo - powietrznej ;spalanie to może być całkowite lub niecałkowite,zupełne lub
niezupełne,może przebiegać powoli lub szybko
- w casie trwania całego obiegu dokonuje się ciągła wymiana ciepła pomiędzy czynnikiem a ściankami cylindra,
tłoka i głowicy oraz dalej pomiędzy tymi ściankami a czynnikiem chłodzącym
3.OBIEG RZECZYWISTY SILNIKA
---------------------------------------
- suw napełnienia
Suw napełnienia,nazywany także suwem ssania lub doładowania,odbywa się przy ruchu tłoka od GMP do DMP,przy otwartym zaworze
dolotowym.W czasie tego suwu cylinder silnika zostaje napełniony świeżym powietrzem pod wpływem różnicy ciśnień panujących
w przewodzie dolotowym i cylindrze silnika.
Wskutek oprów przepływu,powstających w przewodzie i zaworze dolotowym,ciśnienie w cylindrze silnika wolnossącego w czasie
napełniania jest niższe od ciśnienia atmosferycznego.Ponadto,wskutek zmiennej prędkości tłoka,prędkość zasysanego czynnika również
się zmienia.To pociąga za sobą zmiany ciśnienia w cylindrze w czasie całego suwu.
rys.2 Przykład rzeczywistego przebiegu zmian ciśnienia w cylindrze podczas suwu dolotu
Ze względu na to,że posługiwanie się zmiennym ciśnieniem napełniania jest niewygodne,wprowadza się średnią wartość ciśnienia
napełniania p1,którą nazywa się po prostu ciśnieniem napełniania (rys.3)
rys.3 Uproszczony wykres przebiegu napełnienia.
Suw napełniania rozpoczyna się w punkcie 6, natomiast rzeczywisty początek napełniania cylindra świeżym ładunkiem - w punkcie 7.Część suwu odpowiadająca odcinkowi 6 - 7 zostaje stracona na rozprężenie spalin pozostałych w cylindrze z poprzedniego obiegu.
Suw napełniania kończy się w punkcie 1,natomiast właściwe napełnianie cylindra w zasadzie w punkcie 8.Napełnianie cylindra na części wykresu 1 - 8 występuje dlatego,że w cylindrze panuje ciśnienie niższe od ciśnienia atmosferycznego i energia kinetyczna nadana słupowi powietrza przepływającemu przez przewód dolotowy powoduje jeszcze ruch powietrza i jego dopływ do cylindra,mimo że właściwy suw napełniania został już zakończony.Z tego też powodu pozostawia si zawór dolotowy otwarty przez pewien czas po przejściu tłoka przez DMP.
Wartść ciśnienia w cylindrze w czasie suwu napełniania zależy od długości i średnicy przewodów dolotowych.Ciśnienie napełniania maleje wraz ze wzrostem oporów przepływu.Wartość tych oporów jest między innymi proporcjonalna do kwadratu prędkości przepływu.Zwiększanie prędkości obrotowej silnika powoduje wzrost prędkości przepływu wywołując z kolei wzrost oporów przepływu i spadek ciśnienia napełniania (rys.4)
rys.4 Zmiany przebiegu napełniania wywołane : a) zwiększeniem n , b) zwiększeniem oporów przepływu w kanale dolotowym
- suw sprężania
Sprężanie w rzeczywistym silniku nie przebiega izentropowo jak w obiegu teoretycznym,lecz wg przemiany o zmieniającym się wykładniku przy V.Linia wykresu tej przemiany leży w przybliżeniu pomiędzy izotermą a izentropą.Sprężanie przebiega przy stałej wymianie ciepla pomiędzy ładunkiem a ściankami cylindra i komory spalania,a także przy stałym uchodzeniu pewnej części ładunku przez nieszczelności.
Wielkością,od której w zasadniczy sposób zależą parametry termodynamiczne ładunku w końcu sprężania,jest stopień sprężania wyrażony stosunkiem :
Rozpatrując przebieg sprężania łatwo zauważyć,że w początkowym okresie temperatura śiweżego ładunku jest niższa od temperatury ścianek cylindra i ładunek zostaje podgrzany;do ładunku jest wię doprowadzane ciepło ,co powoduje zwiększenie wykładnika politropy sprężania, czyli m1 > .Przy dalszym sprężaniu różnica temperatur pomiędzy ściankami cylindra i gazem maleje,co powoduje zmniejszanie wykładnika politropy.W chwili gdy temperature ścianek i ładunku będą sobie równe wykładnik przemiany sprężania osiągnie wartość równą wykładnikowi izentropy.
Pod koniec sprężania kierunek przepływu ciepła zmieni się i ścianki cylin-
dra będą ogrzewane od sprężanego ładunku.nastąpi odprowadzanie ciepła od
powietrza,więc wykładnik politropy sprężania przyjmie wartości mniejsze niż
wykładnik izentropy,a zatem Pod sam koniec sprężania odprowadza-
nie ciepła od gazu do ścianek staje się coraz mniejsze,ponieważ powierz-
chnia wymiany ciepła maleje (rys.5)
rys.5 Przebiegi sprężania przy wymianie ciepła
W celu uproszczenia przyjmuje się e przemiana sprężania jest przemianą po-
litropową o stałym średnim wykładniku m[4v1[3vWartść tego wykładnika wynosi dla
silników wolnossących ok. 1, 34 - 1, 4, zaś dla silników doładowanych ok.
1, 34-1, 37. Przeciętne wartości wykładnika politropy mniejsze od wykładni-
ka izentropy wskazują na to, iż podczas sprężania ciepło jest w większym
stopniu oddawane przez gazy do ścianek cylindra niż ze ścianek pobierane.
Ponadto uwidacznia się tu wpływ nieszczelności cylindra.
Na wartość wykładnika politropy sprężania mają wpływ :
- powierzchnia zetknięcia się gazów ze ściankami cylindra - im większa ta
powierzchnia, tym większa jest ilość ciepła przechodzącego od gazów do
ścianek, a tym samym zmniejsza się wykładnik politropy
- intensywność chłodzenia - im intensywniej jest silnik chłodzony, tym wy-
kładnik politropy jest mniejszy.
- prędkość obrotowa - zwiększenie prędkości obrotowej powoduje zmniejszenie
czasu wymiany ciepła oraz zmniejszenie części ładunku straconej przez nie-
szczelności cylindra. Powoduje to zatem zwiększenie wartości wykładnika po-
litropy
- obciążenie silnika - wraz ze wzrostem obciążenia średnia temperatura
ścianek cylindra rośnie, a to powoduje zwiększone oddawanie ciepła przez
ścianki na pocątku sprężania i zmniejszoną wymianę ciepła na końcu spręża-
nia, w rezultacie wartość wykładnika zwiększa się
- spalanie
Do głównych parametrów termodynamicznych i wskaźników przebiegu spalania
zalicza sie :
- największe ciśnienie spalania - wynosi w silnikach wolnossących 6-1O MPa
zaś w silnikach doładowanych może sięgać do ok. 15 MPa,zależnie od stop-
nia doładowania
- największa temperatura spalania - mieści się zwykle w granicach 18OO -
23OO K zarówno w silnikach wolnossących jak i doładowanych
- stopień przyrostu ciśnienia - wynosi średnio 1,6 - 2,2
- stopień przyrostu objętości - mieści się w granicach 1, 3 - 1, 8 dla sil-
ników średnioobrotowych, oraz ok. 1, 2 - 1, 6 dla silników szybkoobroto-
wych
- średnia prędkość narastania ciśnienia - wynosi ok. O,4 - 1,O MPa/1 OWK,i
jest uzależninona od rodzaju komory spalania,prędkości obrotowej silnika
a także od niektórych parametrów konstrukcyjnych silnika
W silniku rzeczywistym rozprężenie nie przebiega izotopowo, lecz wg prze-
miany leżącej pomiędzy izotermą i izentropą o zmiennej wartości wykładnika.
Przyczyną tego jest dopalanie paliwa, upływ spalin przez nieszczelności cy-
lindra oraz chłodzenie silnika. Intensywność dopalania zależy od obciążenia
silnika, przebiegu spalania,od kąta wyprzedzenia wtrysku i przygotowania
mieszaniny palnej,wartści współczynnika nadmiaru powietrza i wielu innych
czynników.
Rozprężanie przebiega więc przy stałej wymianie ciepła między ładunkiem
znajdującym się w cylindrze a ściankami cylindra.
Rozpatrując kolejne fazy rozprężania łatwo stwierdzić,że w początkowym
okresie,kiedy trwa jeszcze spalanie,ciepło jest doprowadzane do czynnika.W
tej części suwu wykładnik przemiany m[4v2[3v będzie więc mniejszy od wykładnika
izentropy,czyli m[4v2[3v< .
W dalszym ciągu rozprężania,po zakończeniu dopalania,wartość wykładnika m[4v2[3v
zwiększa się,a pod koniec rozprężania może osiągnąć lub nawet przekroczyć
wartość wykładnika izentropy.Jeżeli ilość ciepła przekazywana ściankom cy-
lindra przez czynnik będzie większa od ilości ciepła dostarczanego do czyn-
nika przez dopalanie,to linia rozprężania będzie przebiegała bardziej stro-
mo i zbliży się do przebiegu izentropy.Jest to zjawisko niekorzystne ze
względu na pole wykresu obiegu (pracę obiegu).
Jeśli natomiast ilość ciepła dostarczonego przez dopalanie będzie większa
to wartośc wykładnika m[4v2[3v będzie mniejsza,a linia wykresu przemiany będzie
przebiegać łagodniej niż izentropa - powoduje to straty cieplne obiegu;zma-
leje sprawność cieplna obiegu.
W celu uproszczenia obliczeń przyjmuje się,że przemiana rozprężania jest
przemianą politropową o stałym średnim wykładniku m[4v2[3v.Wartość trego wykład-
nika wynosi zwykle ok. 1,28 - 1,15.(rys.6)
...
marcin0732