1. Podział tłokowych silników spalinowych.
Tłokowy silnik spalinowy – źródło napędu mechanicznego, w którym następuje zamiana energii chemicznej zawatej w paliwie na energię mechaniczną. Zamiana zachodzi wskutek spalania paliwa i zmiany parametrów termodynamicznych czynnika roboczego, w komorze spalania silnika. Z tego względu rozróżniamy silniki o spalaniu wewnętrznym (silnik samochodu) i zewnętrznym (tłokowa maszyna parowa – czynnik roboczy para wodna). Wspólną cechą tych silników jest rozprężanie czynnika roboczego w cylindrze oraz układ korbowo-tłokowy. Podział tłokowych silników spalinowych może być dokonywany ze względu na:
a). Sposób realizacji cyklu pracy:
- dwusuwowy – sprężanie i rozprężanie podczas jednego obrotu wału korbowego;
- czterosuwowy – napełnianie, sprężanie, rozprężanie, wylot podczas dwóch obrotów wału korbowego;
b). Sposób zapłonu mieszanki palnej: za pomocą iskry elektrycznej (ZI), przez samozapłon (ZS);
c). Sposób zasilania silnika powietrzem lub mieszanką palną (zewn lub wewn sposób tworzenia mieszanki):
- bezpośrednio z otoczenia – silniki wolnossące (atmosferyczne);
- pośrednio, po wstępnym sprężeniu czynnika przed cylindrem – doładowane;
d). Zastosowanie silnika:
- napędy maszyn roboczych oraz prądnic – silniki przemysłowe;
- napędy środków transportu drogowego oraz szynowego – silniki trakcyjne;
- napędy śrubowe jednostek pływających oraz samolotów – silniki napędu śrubowego;
e). Warunki współpracy silnika z odbiornikiem mocy:
- stała prędkość obrotowa silnika oraz zmienne obciążenie;
- zmienna prędkość obrotowa silnika oraz zmienne obciążenie;
- obciążenie silnika stanowi funkcję prędkości obrotowej (silniki śrubowe);
2. Cykle pracy tłokowych silników spalinowych i ich sprawności oraz średnie ciśnienie indykowane.
Cykl pracy silnika może obejmować:
- 2 suwy tj. sprężanie i rozprężanie ( pracę) podczas obrotu jednego wału korbowego silnika
-4 suwy tj. napełnianie, sprężanie, rozprężanie i wulot podczas dwóch obtotów wału korbowego silnika (silniki czterosuwowe)
Silnik dwusuwowy działa w cyklu:
a) sprężanie - tłok przesuwa się w dół, wykonując pierwszy suw, spręża on wtedy równocześnie mieszankę paliwową. Gdy uzyska konkretna wysokość odsłania się zawór wydechowy, przez który wylatują gazy spalinowe, a następnie odchyla się zawór, przez który mieszanka paliwowa (wstępnie sprężona) przedostaje się nad tłok.
b) rozprężanie-tłok przesuwa się w górę, spręża przy tym mieszaninę w komorze spalania (gdy uzyska najwyższy punkt nastąpi kolejny zapłon). W tym samym czasie w trakcie ruchu w górę odblokowuje się zawór zasysający mieszaninę pod tłok.
Cykl silnika czterosuwowego (złożony mechanicznie) jest następujący:
1) suw ssania: tłok porusza się w dół, natomiast do cylindra zasysane zostaje paliwo (albo jeżeli jest to silnik z zapłonem samoczynnym powietrze).
2) suw sprężania: tłok przesuwa się w górę, spręża przy tym paliwo lub powietrze, które się nad nim znajduje. W najwyższym położeniu ma miejsce zapłon (przy pomocy iskry elektrycznej) albo wtrysk paliwa (silniki z samozapłonem), które zapala się w momencie gdy nastąpi styczność z gorącym sprężonym powietrzem
3) suw rozprężania (pracy). Rozprężanie odbywa się do momentu odbezpieczenia się zaworu wydechowego.
4) suw wydechu: tłok przesuwa się do góry wypychając przy tym gazy spalinowe przez w / w zawór. Całość rozpoczyna się po raz kolejny.
3. Wykres uogólnionego cyklu pracy tłokowego silnika spalinowego, omówić tworzące go procesy.
Założenia:
- czynnikiem roboczym jest gaz doskonały;
- masa czynnika roboczego jest stała i jednakowa we wszystkich procesach;
- zaniedbuje się zmianę ciepła właściwego czynnika roboczego lub uwzględnia się tę zmianę w zależności od tempeatury i składu mieszaniny gazów;
- doprowadzenie ciepła do czynnika roboczego realizowane jest jakooddawanie ciepła od gorącego źródła;
- procesy wymiany czynnika roboczego zamienia się procesami odwracalnymi z uwzględnieniem wymiany ciepła;
- proces sprężania i rozprężania przyjmuje się jako adiabatyczny;
- proces napełniania odbywa się między GMP a DMP;
- obieg realizowany jest przez 1 kg czynnika roboczego.
Teoretyczna sprawność obiegu charakteryzująca stopień jego doskonałości jest: ht=(q1-q2)/q1=1-(q1/q2);
Ilość doprowadzonego ciepła do obiegu: q1=q1’+q1’’=cv(Tz’-Tc)+cp(Tz-Tz’); q2=q2’+q2’’=cv(Tb-Tf)+cp(Tf-Ta);
Po podstawieniu q1 i q2 do ogólnego wzoru na ht otrzymujemy: ; (1)
Wyznaczamy temperatury w charakterystycznych punktach obiegu:
- dla adiabaty a-c:
- dla izobary c-z’:
- dla izobary z’-z:
- przemiana adiabatyczna z-b:
- przemiana izobaryczna f-a:
4. Wykorzystując wzór na sprawność uogólnionego cyklu pracy silnika, wyprowadzić wzory na sprawność teoretyczną cykli Otta, Diesla, Sabathe’a.
5. Czynnik roboczy tłokowego silnika spalinowego, jego ilość stechiometryczna oraz własności.
Czynnikiem roboczym nazywamy ośrodek, za pomocą którego realizowany jest rzeczywisty obieg silnika. W tłokowych silnikach spalinowych stanowi go utleniacz, paliwo i produkty spalania. W czasie obiegu pracy silnika czynnik roboczy zmienia swe własności w zależności od temperatury i składu. Skład 1kg paliwa ciekłego: C+H+O=1. Stechiometryczna ilość powietrza do spalania 1kg paliwa wyrażona w kmol: lub gdzie
b - wielkość proporcjonalna do stosunku ilości tlenu potrzebnego do spalenia wodoru do ilości tlenu potrzebnego na spalenie węgla. Dla paliw pochodzenia naftowego b=0,33-0,42.
Dla każdego paliwa postaci CnHmOr reakcję całkowitego i zupełnego spalania paliwa można zapisać w postaci:
Ilość powietrza w kilomolach lub m3 teoretycznie potrzebnego do spalania 1 kmola lub 1 m3 mieszaniny gazowej o składzie SCnHmOr+N2=1:
Współczynnik nadmiaru powietrza l jest to stosunek rzeczywistej ilości powietrza L do ilości stechiometrycznej: l=L/L0. Całkowite spalanie możliwe jest tylko przy l>=1. Silniki gaźnikowe pracują przy l=0,8-1,1.
6. Co to jest spalanie całkowite i spalanie zupełne oraz współczynnik zmian molowych.
W przypadku idealnego procesu przebiegu spalania, tj, gdy każda cząstka paliwa z określonej dawki ulegnie utlenieniu, spalenie jest całkowite i zupełne. W rzeczywistych warunkach spalania w silnikach tłokowych taki proces nie zachodzi i wystepuje tu zależnie od zużytego paliwa, współczynnika nadmiaru powietrza oraz rodzaju silnika, spalanie niecałkowite lub niezupełne. W silnikach ZI wsytępuje spalania niezupełne, tzn w spalinach będzie zawarty tlenek węgla. Wynika to z ogólnego niedomiaru tlenu przy zasilaniu cylindra bogatą mieszanką palną o współczynniku nadmiaru powietrza λ <1. W silnikach ZS, współczynnik nadmiaru powietrza >1, zachodzi spalanie niecałkowite, tzn w spalinach zawarta jest sadza stanowiąca przeważnie czysty węgiel. Ilości tlenku węgla w spalinach silnika ZS są w zasadzie pomijalne o ile nie bierze się pod uwagę toksyczności spalin.
Współczynnik zmian molowych m - charakteryzuje względną zmianę objętości przy spalaniu mieszanki palnej: m0=M2/M1=1+(DM/M1)
Dla silników o zewnętrznym sposobie tworzenia mieszanki palnej: ; Dla silników ZS:
7. Sposób wyznaczania składu spalin przy spalaniu bogatej i ubogiej mieszanki palnej.
Przy l<1 następuje spalanie bogatej mieszanki palnej
Przy l<1 zachodzi niezupełne spalanie paliw ciekłych, w wyniku, którego część składników paliwa zamienia się w produkty niezupełnego spalania. Składnikami spalin są wówczas CO2, CO, H2O, H2, N2 i jego tlenki, 0,2-0,3% metanu CH4 oraz śladowe ilości węglowodorów i tlenu. Przy obliczeniach składu spalin niezupełnego spalania przyjmuje się, że składnikami spalin są CO2, CO, H2O, H2, N2. Skład spalin niezupełnego spalania 1kg paliwa ciekłego przy l<1 oblicza się ze wzorów:
MCO=2*(1-l)/(1+K)*0,21Lo
MCO2=C/12-2*(1-l)/(1+K)*0,21Lo
MH2= 2K*(1-l)/(1+K)**0,21Lo
MN2=0,79lLo
Całkowita ilość spalin:
M2= C/12+H/2+0.79lLo=H/2+C/12 [0.21+l(0.79+B)]/0,21
l>1 – mieszanka uboga, zawiera nadmiar powietrza, niedobór paliwa;
Przy l>1 produkty spalania składają się z CO2, pary wodnej H2O, nadmiaru tlenu O2, azotu N2. Dla 1kg paliwa ciekłego o znanym elementarnym składzie, ilość poszczególnych składników spalin: MCO2=C/12; MH2O=H/2;
MO2=0,21*(l-1)Lo=C/(12*0.79)( l-1)0.79+B MN2=0.79lLo=l*C/(12*0.21)(0.79+B)
Całkowita ilość spalin jest sumą M2=MCO2+MH2O+MO2+MN2 lub
M2=C/12+H/2+0.79Lo+(l-Lo)=Mo+(l-1)Lo Gdzie Mo=C/12+/2+0.79Lo
Mo- ilość spalin w kmolach przy spalaniu 1 kg paliwa o znanym składzie, przy l=1
(l-1)Lo – nadmiar powietrza znajdującego się w spalinach.
8. Rodzaje wymiany ciepła w tłokowych silnikach spalinowych i sposób sporządzania zewnętrznego bilansu ciepła.
Zewnętrznym bilansem cieplnym silnika nazywamy rozdział ciepła wydzielonego w czasie spalania paliwa w silniku. Umożliwia on ocenę stopnia wykorzystania ciepła, straty ciepła i mozliwość ich zmniejszenia, efektywność wykorzystania spalin oraz dokonać obliczeń układu chłodzenia. Bilans sporządza się eksperymentalnie dla pracy silnika wg zewnętrznej prędkościowej, obciążeniowej lub śrubowej charakterystyki, przy różnych regulacjach silnika itp. Sporządza się go dla 1 godziny pracy silnika lub czasu zużycia 1kg lub 1m3 paliwa. Równanie bilansu: Q=Qe+Qch+Qspl+Qol+Qreszt, gdzie:
- Q – ciepło spalania paliwa; obliczamy znając wartość opałową paliwa Hu(J/m3, J/kg) oraz jego zużycie godzinowe Ge (kg/h, m3/h):
Q=kHuGe [J/h]
- Qe – ciepło równoważne pracy efektywnej silnika w czasie 1 sek jest równe mocy efektywnej silnika Qe=Ne; dla godzinowego zużycia paliwa Qe=3600Ne;
- Qch – ciepło odprowadzone do układu chłodzenia Qch=m’ch(T2-T1)Cc.chłodz., gdzie m’ch – wydatek cieczy chłodzącej [kg/h], T2, T1 – temperatura czynnika chłodzącego odpowiednio na wyjściu i wejściu układu chłodzenia, C...
madziula0001