Zawartość
Podział tłokowych silników spalinowych. 1
Cykle pracy tłokowych silników spalinowych i ich sprawności oraz średnie ciśnienie indykowane. 1
Wykres uogólnionego cyklu pracy tłokowego silnika spalinowego, omówić tworzące go procesy. 1
1. Wykorzystując wzór na sprawność uogólnionego cyklu pracy silnika, wyprowadzić wzory na sprawność teoretyczną cykli Otta, Diesla, 2
Czynnik roboczy tłokowego silnika spalinowego, jego ilość stechiometryczna oraz własności. 2
Sposób wyznaczania składu spalin przy spalaniu bogatej i ubogiej mieszanki palnej. 2
Rodzaje wymiany ciepła w tłokowych silnikach spalinowych i sposób sporządzania zewnętrznego bilansu ciepła. 3
Omówić fazy rozrządu czterosuwowego silnika spalinowego i proces wylotu spalin z cylindra. 3
3. Współczynnik napełnienia, przepłukania i współczynnik resztek spalin oraz praca wymiany czynnika roboczego w cylindrze silnika 4
Omówić wpływ czynników konstrukcyjnych i eksploatacyjnych silnika na proces napełniania cylindra. 4
Proces sprężania i paramtery końca tego procesu oraz jego bilans cieplny. 4
Proces tworzenia mieszanki palnej i rodzaje mieszanek palnych. 5
Omówić wielkości charakteryzujące jakość rozpylonego paliwa oraz przebieg ciśnienia podczas wtrysku. 5
Zależność ciśnienia wtrysku od kąta obrotu wału korbowego oraz sposoby realizacji tego procesu. 5
4. Zdefiniować zawirowanie czynnika roboczego w cylindrze i jego zależność od czasu trwania wtrysku i typu stosowanego rozpylacza 5
Rodzaje komór spalania w silnikach ZS 5
Kąt opóźnienia samozapłonu i sposoby jego wyznaczania oraz temperatura samozapłonu. 6
Wpływ zakłóceń procesu spalania na wskaźniki pracy silnika. 6
Analiza wykresu indykatorowego silnika o zapłonie wymuszonym (iskrowym). 7
Analiza wykresu indykatorowego silnika o zapłonie samoczynnym. 7
Charakterystyka wydzielania ciepła. 7
Toksyczne składniki spalin i sposoby ich wyznaczania. 7
Warunki pracy tłokowych silników spalinowych i rodzaje ich charakterystyk. 8
Charakterystyki prędkościowe, obciążeniowe i regulacyjne silników spalinowych. 8
Kinematyka mechanizmu tłokowo-korbowodowego silnika spalinowego. 8
Siły obciążające w mechanizmie tłokowo korbowym silnika spalinowego 9
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);
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.
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:
1. Wykorzystując wzór na sprawność uogólnionego cyklu pracy silnika, wyprowadzić wzory na sprawność teoretyczną cykli Otta, Diesla, Sabathe’a.
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.
2. 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:
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...
madziula0001