Transcript Cykl Diesla

Wykład 12
Silnik spalinowy czterosuwowy; cykl Otta
Idealny i realny cykl Otta
Sprawność, praca i moc silnika pracującego w cyklu Otta
Cykl Diesla
Porównanie cyklu Otta i Diesla
Cykl Sabathego
1
Silnik spalinowy czterosuwowy; cykl Otta
©E. M. Greitzer, Z. S. Spakovszky, I. A. Waitz http://web.mit.edu/16.unified/www/SPRING/propulsion/notes/notes.html
Cztery suwy tłokowego silnika spalinowego z zapłonem iskrowym
1’ – suw dolotu, mieszanka paliwowo – powietrzna wypełnia cylinder przez
otwarty zawór dolotowy
2 – suw sprężania, oba zawory zamknięte, ciśnienie p i temperatura T rosną
3 – zapłon (iskra) w bardzo krótkim czasie przy prawie stałej objętości następuje
przekazanie do substancji roboczej dużej ilości ciepła
4 – suw rozprężania (pracy); gorące gazy rozprężając się wykonują pracę
1” – suw wylotu; schłodzone gazy i inne produkty spalania są usuwane przez
otwarty zawór wylotowy
2
Idealny i realny cykl Otta
©E. M. Greitzer, Z. S. Spakovszky, I. A. Waitz
http://web.mit.edu/16.unified/www/SPRING/
propulsion/notes/notes.html
Idealny cykl Otta
5 – 1: suw dolotu, po otwarciu zaworu dolotowego następuje napełnienie cylindra świeżą
mieszanką paliwowo – powietrzną
1 – 2: Suw sprężania – przemiana adiabatyczna; ciśnienie p i temperatura T rosną (do T2)
2 – 3: zapłon (iskra). Przy prawie stałej objętości następuje przekazanie ciepła do gazu;
przemiana izochoryczna (w trakcie spalania paliwa tłok nie zdąży się przesunąć, temperatura
rośnie od T2 do T3).
3 – 4: suw pracy; rozprężanie adiabatyczne gorących gazów (temperatura spada od T3 do T4)
4 – 1: otwarcie zaworu wylotowego. Po dwóch dodatkowych suwach do i z punktu 5 gorące gazy
o temperaturze T4 są zastępowane swieżą mieszanką paliwowo-powietrzną o temperaturze T1.
Efektywnie przemiana izochoryczna, temperatura gazu obniża się od T4 do T1.
3
Copyright by Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, S.A., Warszawa 1987, A. Teodorczyk, Termodynamika Techniczna
4
Sprawność i praca silnika pracującego w cyklu Otta
W

Q1
W  Q1  Q2
W – praca netto w cyklu
Q1 – ciepło dostarczone w jednym cyklu, przemiana 2 – 3
Q2 – ciepło oddane do otoczenia w jednym cyklu
Q1  QH  Q23  U23;
W23  0
2 – 3: przemiana izochoryczna; spalanie paliwa, przekazanie ciepła do gazu
T2
Q23   nCVdT  nCV T3  T2 
T1
5
Q2  QL  Q41  U41;
W41  0
4 – 1: przemiana izochoryczna; otwarcie zaworu, wymiana gazu
na świeży, oddanie ciepła do otoczenia
T4
Q14   nCV dT  nCV T4  T1 
T1
Q1  Q 2 T3  T2   T4  T1 
T4  T1


 1
T3  T2 
Q1
T3  T2
T1 i T2, przemiana adiabatyczna
T3 i T4, druga przemiana adiabatyczna
TV  1  const
pV   const
T
p  nR
V
6
TV  1  const
T4 V1 1  T3 V2 1
 1
 1
T1V1  T2 V2
T4  T1 V1 1  T3  T2 V2 1
 1
T4  T1  V2 
1

 

T3  T2  V1 
r  1




Copyright by Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne,
S.A., Warszawa 1987, A. Teodorczyk, Termodynamika Techniczna
1 
 V1 
T4  T1

  1
 1  
T3  T2
 V2 
 1
1
r  1
7
Sprawność silnika w cyklu Otta
sprawnosc w cyklu Otta
0,8
0,6
0,4
0,2
γ = 1,4
0,0
0
5
10
15
20
V1/V2, stopien sprezenia
1 
 V1 
T4  T1

  1
 1  
T3  T2
 V2 
 1
1
r  1
8
Temperatura mieszanki po sprężeniu
4
T2/T1
3
2
T1 ok. 300 K
γ = 1,4
1
0
0
5
10
15
20
V1/V2, stopien sprezenia
T2  V1 

 
T1  V2 
 1
 r  1
9
Temperatura samozapłonu benzyny 95 ok 610 K (dane BP Polska Sp.z o.o.)
Moc silnika w cyklu Otta

1 
 
 Q

W

m

h
1

r
23 Otto
paliwo paliwo
 paliwo
m

m
1
 ;
15
Przyjmując:
7 J
hpaliwo  4  10
;
kg

powietrze  1,2
kg
m3
ciepło reakcji spalania paliwa,
duża zmiana objętości dlatego Δh
otrzymamy moc silnika w megawatach (MJ/s):



1,2  40 

  1  r 1 
W
V  1  r 1   3,2  V
15

gdzie ΔV/Δt, objętość powietrza przepływającego przez silnik w
m3/s, zależy od obrotów silnika, liczby cylindrów i pojemności
10
Zadanie
Oblicz moc silnika spalinowego, iskrowego czterocylindrowego,
czterosuwowego, o pojemności 1000 cm3, dla 3000 obrotów na
minutę. Przyjmij, że stopień sprężania wynosi 4. Jakie będzie
zużycie paliwa na godzinę pracy silnika?
moc silnika w megawatach (MJ/s):

  3,2  V
  1  r1 
W

1-r^(1-γ) = 1 – 4^(-0.4) = 0.43
3000 obr/min = 50 obr/s; 4 suwy (1 cykl) na 2 obroty; w ciągu 1 s.
25 cykli czyli 25/4 l, 4 cylindry, razem 25 l/s, czyli 0.025 m3.
Zatem moc w kW wyniesie: 80 kW*0.43 = 34.5 kW
1 KM = 0.74 kW
Moc = 46.5 KM
Zużycie paliwa = 80 (kJ/s)/40(MJ/kg) = 0.002 kg/s
0.002 (kg/s)/0.75 (kg/l) = 0.0027 l/s = 0.16 l/min = 9.6 l/h
11
Na ogół silnik pracuje ze znacznie mniejszą mocą niż osiągalna
Cykl Diesla
©E. M. Greitzer, Z. S. Spakovszky, I. A. Waitz
http://web.mit.edu/16.unified/www/SPRING/
propulsion/notes/notes.html
Diesel
Sprężanie powietrza (bez paliwa),
przemiana adiabatyczna 1 – 2
Wtrysk paliwa pod wysokim ciśnieniem w
punkcie 2, zapłon bez iskry
Generacja i transfer ciepła do sprężonego
powietrza przybliżamy jako przemianę
izobaryczną 2 – 3
Suw pracy 3 – 4, przemiana adiabatyczna
Po otwarciu zaworu i dwóch dodatkowych
suwach gorące powietrze i produkty
spalania są zastępowane przez świeże
powietrze, efektywnie przemiana
izochoryczna 4 – 1
CV T4  T1 
Q2
T1 T4 T1  1
 1
 1
 1
Q1
Cp T3  T2 
T2 T3 T2  1
12
Copyright by Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, S.A., Warszawa 1987, A. Teodorczyk, Termodynamika Techniczna
13
T1 T4 T1  1
Diesel  1 
T2 T3 T2  1
Parametr odcięcia: V3/V2
©E. M. Greitzer, Z. S. Spakovszky, I. A. Waitz
http://web.mit.edu/16.unified/www/SPRING/
propulsion/notes/notes.html
T4 p4V4 p4


;
T1 p1V1 p1
T3 V3

 ;
T2 V2
p1V1  p 2 V2
p 4 V4  p 3 V3
→
T2
T1
 V1 

 
 V2 
p4
p1
 1
 r  1

 V3 
   
 
 V2 
T1 T4 T1  1
1   1
Diesel  1 
 1
T2 T3 T2  1
r  1    1
14
T1 T4 T1  1
1   1
Diesel  1 
 1
T2 T3 T2  1
r  1    1
sprawnosc w cyklu Diesela
0,55
0,50
0,45
0,40
0,35
0,30
Parametr odcięcia α = 1,3
Cp/Cv γ = 1,4
0,25
0,20
0,15
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
V2/V1, stopien sprezenia
Stopień sprężania w praktyce, od 12 – 25 , silniki wysokoprężne
15
ciśnienie sprężania można wyliczyć, na ogół od 30 – 50 barów
sprawnosc w cyklu Otta i Diesela
Porównanie cyklu Otta i Diesla
0,8
0,6
0,4
cykl
cykl Otta
cykl
cykl Diesela
Diesla
0,2
0,0
0
5
10
15
20
V1/V2, stopien sprezenia
Dla cyklu Diesla parametr odcięcia α = 1,3
Cp/Cv γ = 1,4
16
Porównanie cyklu Otta i Diesla
Cykl Otta charakteryzuje się wyższą sprawnością
przy tym samym stopniu sprężania r = (V2 / V1);
diagram p – V („obcięty czubek”)
Cykl Diesla; możliwe wyższe stopnie sprężania (brak
samozapłonu); w konsekwencji wyższa sprawność dla
praktycznie osiągalnych sprężeń;
minus – konieczność wtrysku paliwa pod wysokim
ciśnieniem (sprężarka)
17
Cykl mieszany Sabathego
Copyright by Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, S.A., Warszawa 1987, A. Teodorczyk, Termodynamika Techniczna
18
Cykl mieszany Sabathego
Sab
q1  q 2  q 0


q1  q 2
c v T3  T2   cp T4  T3   c v T5  T1 
c v T3  T2   cp T4  T3 
T5  T1
 1
T3  T2    T4  T3 
Copyright by Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, S.A.,
Warszawa 1987, A. Teodorczyk, Termodynamika Techniczna
19