1
Wskaźniki pracy silnika – temat 6 (4)
a/ definicje i sposoby określenia:
•
momentu obrotowego,
•
prędkości obrotowej,
•
ś
redniego ciśnienia indykowanego i użytecznego,
•
mocy indykowanej i użytecznej,
•
sprawności indykowanej, mechanicznej i ogólnej,
•
jednostkowego zużycia paliwa i ciepła.
b/ bilans cieplny i wykres Sankeya silnika okrętowego,
Wielkości charakteryzujące silnik.
Wielkościami charakteryzującymi silnik spalinowy nazywamy wielkości liczbowe stanowiące podstawę oceny i klasyfikacji
silnika pod względem konstrukcyjnym i eksploatacyjnym.
Dzielimy je na:
Wskaźniki energetyczne:
–
prędkość obrotowa,
–
moc,
–
ś
rednie cisnienie indykowane lub efektywne
czyli mające charakter wskaźników nominalnych,
a ponadto:
–
moment obrotowy,
–
sprawność lub jednostkowe zużycie paliwa,
które są wskaźnikami ekonomicznymi, umożliwiającymi ocenę stopnia wykorzystania doprowadzonego do silnika paliwa w
procesie zamiany w energię mechaniczną, wskazują także źródła strat.
Wskaźniki porównawcze, które określają nam:
-
obciążenia mechaniczne i cieplne,
2
-
wykorzystanie powierzchni i przestrzeni roboczej oraz masy silnika,
-
walory użytkowe.
Wskaźniki eksploatacyjne określające własności silnika pod względem ruchowym i użytkowym:
-
zakres dopuszczalnego przeciążenia,
-
okresy przeglądów profilaktycznych i międzynaprawczych,
-
stopień niezawodności.
Wskaźniki energetyczne:
Prędkość obrotowa
– jest to liczba obrotów wału korbowego w jednostce czasu
n [obr/min]; n[obr/s]
Prędkość obrotowa i moc silnika stanowią podstawę wyznaczenia głównych wymiarów silnika.
Max. prędkość obr. silników okrętowych wynosi 1500 obr/min – jest ograniczona przebiegiem procesu cieplnego z
uwagi na skrócenie procesu spalania mieszanki.
Znamionowa lub nominalna prędkość obrotowa silnika
n
n
–
prędkość obrotowa silnia obciążonego momentem
znamionowym rozwijającym moc znamionową.
Rozruchowa prędkość obrotowa – najmniejsza prędkość obrotów umożliwiająca inicjację procesu roboczego.
Minimalna prędkość obrotowa – najmniejsza prędkość, z jaką silnik może pracować, wynosi ok. 30 %
n
n
Eksploatacyjna prędkość obrotowa – wzór 3.2, prędkość, z którą pracuje silnik w normalnych warunkach
eksploatacyjnych – mniejsza od prędkości znamionowej,
___
n
e
= n
n
·
3
√√√√
e
[obr/min]
gdzie: e – stopień eksploatacyjnego obciążenia silnika,
N
e
e =
N
n
Ne – moc eksploatacyjna.
Nn – mac nominalna,
3
Stopień eksploatacyjnego obciążenia silnika wynosi 0,85-0,92 ( średnio 0,9).
Maksymalna prędkość obrotowa – największa prędkość wyznaczona przez producenta i zwykle wynosi
≤
1,1 n
n,
mierzona bezpośrednio obrotomierzem ( tachometrem) lub obliczana ze wskazań licznika obrotów.
Obrotomierze (mechaniczne i elektryczne) – wskazują chwilową prędkość obrotową wału:
•
Mechaniczne: działają na zasadzie zależności siły bezwładności masowej od prędkości obrotowej (
elementem czynnym jest wirujący bezwładnik),
•
Elektryczne; napięciowe składające się z prądnicy tachometrycznej i odbiornika będącego woltomierzem z
wyskalowana tarcza w jednostkach prędkości.
Liczniki obrotów – sumują i rejestrują kolejne obroty wału korbowego i służą do wyliczania średniej prędkości
obrotowej w czasie
ττττ
.
α
αα
α
n
n
sr
=
[
obr/min
]
gdzie;
α
αα
α
n –
ilość obrotów wskazana przez licznik.
ττττ
Moc silnika – indykowana i użyteczna
Pracę wykonaną przez silnik nazywa się praca indykowana L
i
a odpowiadającą tej pracy moc – mocą indykowaną
N
i
.. Silnik wykonuje część pracy na tzw. potrzeby własne ( opory ruchu, napęd mechanizmów).
Praca indykowana pomniejszona o pracę na „potrzeby własne” nazywa się pracą efektywną L
e
a odpowiadająca jej
moc – mocą efektywną N
e
.
Moc indykowana Ni – jest mocą, jaką w ustalonych warunkach pracy rozwija czynnik roboczy w przestrzeniach
roboczych silnika.
4
L
i
Moc jednego cylindra N
1i
wynosi
N
1i
=
[kW]
1000·
ττττ
gdzie:
L
i
– praca indykowana cylindra [J];
ττττ
- czas wykonania pracy L
i
[s].
Pracę wykonaną podczas jednego cyklu roboczego wylicza się z zależności:
L
i
= F
t
· p
i
·S [J]
gdzie:
F
t
– powierzchnia tłoka;
p
i
– średnie cisnienie indykowane [N/m
2
],[P];
S– skok tłoka [m];
60
Czas
ττττ
[s] jednego cyklu roboczego wynosi
ττττ
=
[s]
n· z
gdzie:
n- prędkość obrotowa [obr/min]
z-liczba zapłonów w cylindrze nz jeden obrót wału korbowego:
•
dla silników dwusuwowych z = 1,
•
dla czterosuwowych z = ½,
Moc indykowana jednego cylindra:
N
1i
= c· p
i
·n [
kW
]
V
s
·z
gdzie
c- stała cylindra
c =
60 · 10
3
V
s
– objętość skokowa [m
3
]
V
S
= F
t
·S
5
Moc indykowaną Ni silnika i cylindrowego oblicza się jako sumę mocy indykowanej poszczególnych cylindrów
N
i
= N
1i
+ N
2i
+ ............+ N
ii
Moc użyteczna (efektywna) – jest to moc, jaką silnik w ustalonych warunkach przekazuje odbiornikowi mocy.
Moc efektywną mierzy się na sprzęgle (kołnierzu) wału korbowego.
Jest ona mniejsza od mocy indykowanej o moc równoważną stratom mechanicznym N
r
L
e
N
e
= N
i
– N
r
[kW]
lub
N
e
=
[kW]
1000 ·
ττττ
gdzie: Le – praca efektywna [J];
ττττ
- czas wykonania pracy Le [s].
Jeżeli wał korbowy przenosi moment obrotowy to praca efektywna
L
e
= M
o
·
αααα
n
[Nm];[J]
a więc
M
o
·n
N
e
≈≈≈≈
[kW]
9,55 ·10
3
Moc efektywna
N
e
= N
i
·
ηηηη
m
=
C· n· p
i
·
ηηηη
m
[kW]
gdzie:
p
i
·
ηηηη
m =
p
e
nazywa się średnim ciśnieniem efektywnym
a więc
Ne = C· p
e
·n
[kW]
6
gdzie:
C – stała silnika
C = c· i
i –
ilość cylindrów
V
s
· z
c- stała cylindra
c =
6
0 · 10
3
V
s
objętość cylindra
V
S
= F
t
·S
Uwzględniając zużycie paliwa przez silnik, moc efektywna
G
e
·W·
ηηηη
e
N
e
=
[kW]
3600
gdzie:
G
e
- masa paliwa zużywanego przez silnik
G
e
= g
w
·n·z·60
[kg/h]
;
G’[g/h];
W – wartość opałowa paliwa
i dla paliwa umownego W
o
wynosi 10.000 kcal /kg lub 41868 kJ/kg
n- prędkość obrotowa [obr/min]
z-liczba zapłonów w cylindrze nz jeden obrót wału korbowego:
•
dla silników dwusuwowych z = 1,
•
dla czterosuwowych z = ½,
g
w
– ilość paliwa wtryskiwana w jednym cyklu oraz ilości wtrysków w ciągu godziny.
ηηηη
e
–
sprawność ogólna silnika
(zwana sprawnością efektywną) =
ηηηη
i
·
ηηηη
m
=
ηηηη
i
·
ηηηη
m
·
ηηηη
g
7
Moc nominalna (znamionowa) Nn – moc odpowiadająca założeniom projektowym lub użyteczna, jaką silnik rozwija
w warunkach znamionowych.
Moc trwała (eksploatacyjna) – największa moc użyteczna, jaka silnik może rozwijać w warunkach stałego
obciążenia ( 85-90 % mocy nominalnej).
Moc maksymalna – największa moc użyteczna, jaką silnik może rozwijać w określonym czasie ( 15-60 minut) i
wynosi 1,1 N
n
Ś
rednie ciśnienie indykowane – p
i
.
Ś
rednim ciśnieniem indykowanym p
i
nazywa się takie stałe, zastepcze (obliczeniowe) ciśnienie czynnika
roboczego, które działając na tłok podczas suwu pracy, wykonałoby taka samą pracę indykowaną
L
i
., jak zmienne
cisnienie rzeczywiste w jednym cyklu pracy.
Najważniejszym etapem obliczania mocy indykowanej jest obliczenie średniego ciśnienia indykowanego
p
i
w
oparciu o wykres indykatorowy uzyskany indykatorem mechanicznym lub elektronicznym.
Dysponując wykresem indykatorowym , którego pole powierzchni wynosi F
i
[mm
2
], a długość l
i
[mm],
ś
rednie ciśnienie indykowane oblicza się wg wzoru:
F
i
p
i
=
[mm/Nm
2
]; [Pa]
l
i
·f
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 l
i
i polu F
i
wykresu indykatorowego – wyznaczonemu przez planimetrowanie.
8
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- porównanie wykresów porównawczego i indykatorowego i jest to
stosunek ciepła Q
i
równoważnego pracy indykowanej L
i
do ilości ciepła Q = Q
1
-Q
2
równoważnego pracy L
t
obiegu
porównawczego:
L
i
ηηηη
g
=
ηηηη
t
·Q
1
Ponieważ praca obiegu jest proporcjonalna do pola obiegu, dlatego
ηηηη
g
można przedstawić stosunkiem pól wykresu
indykowanego i porównawczego:
F
i
ηηηη
g
=
F
t
Ś
rednie ciśnienie efektywne. Straty mechaniczne.
Moc oddawana odbiornikowi mocy
N
e
jest mniejsza od mocy indykowanej o moc
N
r
zwana mocą oporów ruchu,
równoważną startom mechanicznym ( straty tarcia i napędu mechanizmów własnych).
Sprawność mechaniczna
N
e
ηηηη
m
=
N
i
a więc
N
e
= N
i
·
ηηηη
m
=
C· p
i
·
ηηηη
m ·
n
gdzie:
p
i
·
ηηηη
m =
p
e
nazywa się średnim ciśnieniem efektywnym.
9
Moment obrotowy – Mo.
M
o
≈≈≈≈
9,55 · 10
3
·C· p
e
= C’· p
e
[Nm]
gdzie:
C’ = 9,55 · 10
3
·C
;
p
e
– średnie ciśnienie efektywne [Pa]
Moment obrotowy silnika mierzymy hamulcem wodnym ( w warunkach stacji prób) lub torsjometrem
(momentomierzem) – w warunkach statkowych (pomiar kąta skręcenia wału) – rys.3.8; rys.3.9.
Zależność kąta skręcenia od momentu skręcającego wyraża wzór:
M
o
l
φ
= ————
[ rad]
G I
o
gdzie:
M
o
– moment skręcający [Nm}
l – długość skręcanego odcinka wału [m]
G – moduł sprężystości postaciowej materiału wału [N / m
2
]
I
o
– biegunowy moment przekroju skręcającego [ m
4
]
Podstawiając za iloraz:
G I
o
s = ————
[ rad] - tzw. sztywność skrętną wału
l
otrzymamy wzór na moment skręcający Mo = s
.
φ
[Nm]
10
Sprawność indykowana, mechaniczna i ogólna.
Tylko część energii doprowadzanej w paliwie zamienia się na energię mechaniczną.
Oceny strat dokonuje się na podstawie:
1.
sprawności teoretycznej
ηηηη
t
- jest miara wykorzystania energii cieplej doprowadzonej w obiegu teoretycznym,
2.
stopnia wypełnienia wykresu porównawczego
ηηηη
g
= Fi / Ft określający podobieństwo termodynamiczne procesu
rzeczywistego do przyjętego obiegu porównawczego.
3.
sprawności indykowanej (
ηηηη
i
=
ηηηη
t
.
ηηηη
g
)
–
określa wykorzystanie energii cieplnej podczas procesu rzeczywistego,
4.
sprawności mechanicznej
ηηηη
m
, która określa, jaką część mocy indykowanej silnik przekazuje odbiornikowi mocy.
5.
sprawności ogólnej (efektywnej)
ηηηη
e
= Q
e
/ Q
d
określający miarę wykorzystania przez silnik energii cieplnej
doprowadzonej w paliwie (
ηηηη
e
=
ηηηη
i
.
ηηηη
m
=
ηηηη
t
.
ηηηη
g
ηηηη
m
) wynoszącej:
( 0,38 – 0,55 )
dla silników wolnoobrotowych,
( 0,38 – 0,50 )
dla silników średnioobrotowych,
( 0,35 – 0,42 )
dla silników szybkoobrotowych.
11
Jednostkowe zużycie paliwa i ciepła
Wskaźnikiem oceny ekonomiczności silnika, obok sprawności ogólnej jest jednostkowe zużycie paliwa, czyli masa
paliwa zużywana przez silnik na jednostkę wytwarzanej energii.
g
e
= G
e
/ N
e
[kg/kWh] lub
g’
e
= G’
e
/ N
e
[g/kWh]
Jednostkowe zużycie paliwa zależy od sprawności ogólnej i wartości opałowej paliwa.
Zmienia się wraz ze stopniem obciążenia silnika .
Bilans cieplny i wykres Sankeya silnika okrętowego.
Tylko część energii Qd doprowadzonej do silnika w postaci paliwa zamienia się w energię mechaniczną
L
e
= Q
e
,
reszta w ilości
Q
s
stanowi tzw. straty.
Równanie bilansu cieplnego można napisać w postaci:
Q
d
= Q
e
+ Q
s
[kJ]