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