Obiegi rzeczywiste - temat 5 (4)
a)
wykres indykatorowy, analiza wykresów indykatorowych,
b)
ładowanie, przebieg, parametry, ustawienie rozrządu, wpływ prędkości i obciążenia,
c)
sprężanie (przebieg, parametry);
d)
tworzenie mieszaniny palnej (rozpylenie paliwa, parowanie i mieszanie z powietrzem);
e)
spalanie ( opóźnienie samozapłonu, fazy spalania, szybkość spalania, max cisnienie spalania);
f)
rozprężanie (przebieg, parametry);
g)
wydech (przebieg, fazy wydechu, parametry).
Obrazem graficznym obiegu rzeczywistego w układzie p-V jest wykres indykatorowy – rys.2.7
Parametry termodynamiczne obiegu rzeczywistego.
•
Ciśnienie i temperatura na dolocie do cylindra
•
Ciśnienie i temperatura na początku i końcu sprężania
•
Największe ciśnienie temperatura spalin,
•
Parametry spalin w chwili otwarcia zaworów lub okien wylotowych i podczas wylotu spalin.
Parametry te zależą od:
•
Założeń konstrukcyjnych silnika, ale przede wszystkim od,
•
Czynników eksploatacyjnych (stan techniczny silnika i stopień obciążenia)
1.
Dolot ładunku.
Ciśnienie dolotu: (2.14)
dwusuwowy
p
1
= (0,85 - 1,00)p
d
(2.14a) czterosuwowy
p
2
= (0,90 - 0,95)p
d
Spadek ciśnienia powietrza ładującego jest spowodowany oporami przepływu i dławieniem.
Największe ciśnienie ładunku na końcu dolotu, czyli na początku sprężania mają silniki wolnoobrotowe o przepłukaniu
wzdłużnym, natomiast najmniejsze silniki szybkoobrotowe czterosuwowe o przewodach dolotowych z dużym oporem
przepływu.
Temperatura na końcu dolotu ( ładowania) – wzór 2.15.
T
d
+
∆∆∆∆
T +
γγγγ
r
T
r
T
ł
=
1 +
γγγγ
r
gdzie:
T
d
- temperatura powietrza na dolocie do przestrzeni roboczej ( w zasobniku).
T
r
– temperatura reszty spalin, 800-900 K dla 2-suw; 650-800 K dla 4-suw.
∆∆∆∆
T – przyrost temperatury ładunku ; 20-30 K,
γγγγ
r
- współczynnik reszty spalin m
r
/ m
ł
.; którego wartość wynosi:
•
0,02-0,04 dla 4-suwów;
•
0,04-0,08 dla 2-suwów z przepłukaniem wzdłużnym i
•
0,12-014 dla 2suwów z przepłukaniem porzecznym.
2.
Sprężanie
Rzeczywisty stopień sprężania jest mniejszy od geometrycznego stopnia sprężania – wzór 2.16.
Ciśnienie ładunku na końcu sprężania p
k
- wyznaczone z równania politropy - wzór. 2.17.
p
k
= p
1
εεεε
e
n
ponieważ średnia wartość wykładnika politropy n
<<<<
k to w konsekwencji p
k
<<<<
p
2
Temperatura ładunku na końcu sprężania politropowego T
k
– wzór 2.18
T
k
= T
1
εεεε
e
n -1
( 250-300 K)
Ze względu na prawidłowy przebieg samozapłonu i spalania mieszaniny temperatura T
k
musi być wyższa od temperatury
samozapłonu o ( 250-300 K)
3.
Parametry końca spalania
Ciśnienie końca spalania
p
max
= φ p
k
- wzór 2.19.
•
8-16 MPa-dwusuwowe wolnoobrotowe;
•
6-18 MPa –czterosuwowe średnioobrotowe
Przeciętne wartości p
max
określa tabela 2.2.
Temperatura spalania T
max
( wyliczana z bilansu cieplnego) wynosi :
•
1800 – 2200 K ( dwusuwowe-wolnoobrotowe);
•
2000- 2500 K ( średnioobrotowe – czterosuwowe).
4.
Rozprężanie
Ciśnienie na końcu rozprężania
p
5
= p
max
/ ε
er
n
2
(wynosi 0,3-0,6 MPa)
– wzór 2.20.
gdzie
ε
er -
rzeczywisty stopień rozprężania
≈
εεεε
e
/
ρρρρ
Temperatura na końcu rozprężania
T
5
= T
max
/ ε
er
n
2
-1
(wynosi 800-1000K 2-suw; 900-1200 K 4-suw. ) –wzór 2.22
5.
Wylot
Wylot spalin odbywa się wskutek ich nadciśnienia w stosunku do ciśnienia atmosferycznego lub ciśnienia w zbiorniku
spalin.
Srednie ciśnienie wylotu p
w
jest mniejsze od ciśnienia doładowania p
d
o 10-30 kPa (0,01 – 0,03 MPa)
6.
Sprawność indykowana η
i
– sprawność obiegu rzeczywistego – wzór 2.23
Podobnie jak w obiegu teoretycznym tak i w rzeczywistym procesie roboczym tylko z części doprowadzonego
ciepła otrzymuje się energie mechaniczną. Miarą wykorzystania tego ciepła jest sprawność indykowana
ηηηη
i
Q
i
L
i
ηηηη
i
=
=
Q
1
Q
d
Jest to stosunek ciepła Qi , równoważnego pracy indykowanej L
i
w rzeczywistym obiegu, do ilości ciepła
doprowadzonego Q
1
= Q
d
do czynnika roboczego w tym obiegu.
Praca indykowana L
i
jest proporcjonalna do pola obiegu rzeczywistego F
i
na wykresie indykatorowym – rys.2.7.
7.
Ś
rednie ciśnienie indykowane. Średnie ciśnienie obiegu rzeczywistego.
Obieg rzeczywisty, zwany w praktyce wykresem indykatorowym przedstawia zmiany ciśnienia w cylindrze ( przestrzeni
roboczej) w funkcji skoku tłoka S lub objętości skokowej V
s
.
Pole wykresu jest proporcjonalne do pracy jednego cyklu ( obiegu), czyli tzw. pracy indykowanej L
i
.
Wykresy indykatorowe silnika dwusuwowego ( rys.2.7a) i uproszczony wykres indykatorowy czterosuwowego silnika
doładowanego ( rys.2.7b).
W warunkach okrętowych wykres indykatorowy służy głownie do pomiaru i regulacji mocy silnika.
Aby tego dokonać potrzebna jest znajomość średniego ciśnienia indykowanego p
i
.
Ś
rednim ciśnieniem indykowanym p
i
nazywa się takie stałe, zastepcze (obliczeniowe) cisnienie czynnika roboczego, które
działajac na tłok podczas suwu pracy, wykonałoby taka samą pracę indykowaną L
i
., jak zmienne cisnienie rzeczywiste w
jednym cyklu pracy.
p
i
. = L
i
. / V
s
( wzór 2.24) dysponując wykresem indykatorowym (rys.2.7), którego pole powierzchni wynosi F
i
[mm
2
], a
długość l
i
[mm], średnie cisnienie indykowane oblicza się wg wzoru:
p
i
. = F
i
/ l
i
f [mm/Nm
2
],[Pa]
gdzie: f – skala wykresu ( skala sprężyny indykatora) [ mm / N/m
2
] lub [mm / Pa].
A zatem, średnie cisnienie indykowane p
i
jest równe wysokości prostokąta, którego podstawa l
p
i pole F
p
równe są długości
li i polu F
i
wykresu indykatorowego.
Powierzchnie wykresu F
i
wyznacza się przez planiometrowanie. Średnie cisnienie indykowane można także obliczyć na
podstawie wykresu obiegu teoretycznego lub wykresu porównawczego (rys.2.7)
Korzystając z zależności 2.13 na średnie cisnienie teoretyczne pt wzór na średnie ciśnienie indykowane przybiera postać
pi =
ηηηη
g . pt ( wzór 2.25) i po podstawieniu za pt zależność 2.13 ( wzór na pt) otrzymamy: (wzór 2.25a)
ε
k
η
t
p
i
=
ηηηη
g
p
1
—————[ φ-1 + k φ (ρ-1)]
(k-1)(ε-1)
ηηηη
g
-
stopień wypełnienia wykresu porównawczego, jest to(rys.2.11 – porównanie wykresów porównawczego i
indykatorowego) stosunek ciepła Q
i
równoważnego pracy indykowanej L
i
do ilości ciepła
Q = Q
1
-Q
2
równoważnego pracy
L
t
obiegu porównawczego ( wzór 2.26):
ηηηη
g
= L
i
/
ηηηη
t
Q
1
Ponieważ praca obiegu jest proporcjonalna do pola obiegu, dlatego
ηηηη
g
można przedstawić stosunkiem pól wykresu
indykowanego i porównawczego (wzór 2.26a) .
Przeciętnie średnie cisnienie indykowane współczesnych silników okrętowych dla znamionowych obciążeń wynoszą:
0,8 – 1,5 MPa dla wolnoobrotowych silników dwusuwowych,
1,6 – 2,5 MPa dla średnioobrotowych silników czterosuwowych.