Upload
others
View
4
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
BRODSKI POGONSKI
STROJEVI
10. predavanje
IDEALNI I STVARNI PROCES U
MOTORIMA S UNUTARNJIM
IZGARANJEM
IDEALNI TERMODINAMIČKI PROCES MOTORA
Da se ne bi krivo shvatilo, idealni termodinamički proces motora nije ono čemu bi trebali težiti.
Idealnim ga nazivamo samo zato što smo ga idealizirali, kako bi si olakšali matematički
postupak za njegovu obradu. Kako ćemo kasnije vidjeti, on se razlikuje od stvarnoga procesa
motora.
Osnovne aproksimacije koje uvodimo za idealni proces motor su:
• Proces motora je zatvoreni termodinamički proces, što pretpostavlja da se masa radnog
medija ne mijenja (ni po količini ni po kemijskom sastavu). To je različito od stvarnoga
motora u kojemu se vrši izgaranje (promjena kemijskog sastava) i izmjena radnog medija
(promjena količine radnog medija pri ispuhu i usisu).
• Izgaranje i izmjena radnoga medija zamjenjuju se dovodom topline izvana i odvodom
topline iz procesa.
• Tijekom procesa kompresije i ekspanzije nema izmjene topline s okolišem (stjenkama), tako
da je kontrolni volumen izoliran od okoliša. Procesi kompresije i ekspanzije odvijaju se
adijabatski.
• Kako se ne mijenja kemijski sastav, eksponent adijabate je jednak za procese kompresije i
ekspanzije.
Idealni termodinamički procesi motora
Ottov proces Sabatheov proces
Seiligerov proces
Trinklerov proces
Dieselov proces
Dovod topline pri
V = const
Dovod topline pri
V = const i p = const
Dovod topline pri
p = const
V V V
p p p
Qdov xQdo
v
(1-x)QdovQdov
Qodv Qodv Qodv
x = 1 x = 0
Qodv
Sabatheov proces
Sabatheov proces udružuje u sebi karakteristike i Ottovog procesa i Dieselovog procesa.
On je od sva tri procesa najbliži stvarnom procesu u motoru.
V
p
xQdov
(1-x)Qdov
W
1
4
2
3 3’T
s
Qodv
W
3’
4
1
2
3
(1-x)Qdov
xQdov
V
p
xQdov
(1-x)Qdov
Qodv
W
1
4
2
3 3’
Sabatheov proces
Stupanj djelovanja procesa
Stupanj djelovanja termodinamičkog procesa jednak je
omjeru dobivenoga rada i dovedene topline:
dov
odv
dov
odvdov
dov
TQ
Q
Q
Q
W
1
2
3
3
'3
2
3
1
4
2
1
3'323
14
11
1
11
T
T
T
T
T
T
T
T
T
T
TTcmTTcm
TTcm
pv
vT
1
1
2 T
T
2
3
T
T
3
'3
T
T 1
4
T
T
11
111
1
T
Idealni termodinamički procesi motora
Ottov proces Sabatheov proces Dieselov proces
11
111
1,
SabatheT
1,
11
OttoT
1
111
1,
DieselT
1 1
V V V
p p p
Qdov xQdo
v
(1-x)QdovQdov
Qodv Qodv Qodv
x = 1 x = 0
Stupanj kompresije
x = 0
x = 1.0
R = 287 J/kg.K, cv = 736 J/kg.K, = 1.4, Qdov = 3275 J, p1 = 100 kPa, V1 = 0.001 m3
= 1.0
11
111
1,
SabatheT
Stupanj kompresije
x = 0
x = 1.0
R = 287 J/kg.K, cv = 736 J/kg.K, = 1.4, Qdov = 2231 J, p1 = 100 kPa, V1 = 0.001 m3
= 1.5
11
111
1,
SabatheT
Omjer srednjeg tlaka procesa i početnog tlaka
Srednji tlak procesa je jednak radu procesa podijeljenom sa stapajnim volumenom.
Rad procesa predstavlja se površinom pravokutnika s azom jednakom stapajnom
volumenu, dok je visina pravokutnika jednaka srednjem tlaku procesa.
V
p
Qdov
Qdov
Qodv
W
1
4
2
3 3’
W
psr
11
V
Q
V
Wp dovT
s
sr
ssr VpW
1111
Vp
Q
p
p dovTsr
Stupanj kompresije
x = 0
x = 1.0
R = 287 J/kg.K, cv = 736 J/kg.K, = 1.4, Qdov = 3275 J, p1 = 100 kPa, V1 = 0.001 m3
= 1.0
1111
Vp
Q
p
p dovTsr
Stupanj kompresije
x = 0
x = 1.0
R = 287 J/kg.K, cv = 736 J/kg.K, = 1.4, Qdov = 2231 J, p1 = 100 kPa, V1 = 0.001 m3
= 1.5
1111
Vp
Q
p
p dovTsr
Omjer srednjeg i maksimalnog tlaka procesa
Srednji tlak procesa predstavlja mjeru za rad procesa. Konstrukcija motora
determinirana je maksimalnim tlakom procesa, obzirom da se na njega projektiraju
nosivi dijelovi, ležaji itd. Interesantno je za zadani maksimalni tlak procesa dobiti čim
veći rad procesa.
V
p
Qdov
Qdov
Qodv
W
1
4
2
3 3’
W
psr
33 pV
W
p
p
s
sr
Stupanj kompresije
x = 0
x = 1.0
R = 287 J/kg.K, cv = 736 J/kg.K, = 1.4, Qdov = 3275 J, p1 = 100 kPa, V1 = 0.001 m3
= 1.0
131 Vp
Q
p
p dovTsr
Stupanj kompresije
x = 0
x = 1.0
R = 287 J/kg.K, cv = 736 J/kg.K, = 1.4, Qdov = 2231 J, p1 = 100 kPa, V1 = 0.001 m3
= 1.5
131 Vp
Q
p
p dovTsr
Komentar:
Iz prijašnjih slika vidljivo je da je za zadani maksimalni tlak procesa najveći
postizivi rad onaj od Dieselovog procesa. Današnji dizelski motori ne rade u
potpunosti po Dieselovom procesu, ali mu se nastoje približiti.
Rezultati iz ovih prijašnjih dijagrama pokazuju zašto su upravo dizelski motori
preuzeli primat kod velikih motora, gdje iz ograničene konstrukcije trebamo dobiti
čim veću snagu motora.
REALNI PROCES MOTORA
Proces 4T motora
Stvarni i idealni proces prikazani su preklopljeni jedan preko drugoga. Najveća
odstupanja imamo tijekom izgaranja i izmjene radnoga medija.
U T-s dijagramu prikazan je samo visokotlačni dio procesa jer se tijekom izmjene radnoga
medija mijenja masa u cilindru motora.
V
p
+W
1
4
2
3 3’
s
T
W
3’
4
1
2
3
V
p
+W
1
4
2
3 3’
s
T
W
3’
4
1
2
3
-W
Proces 2T motora
Stvarni i idealni proces prikazani su preklopljeni jedan preko drugoga. Najveća
odstupanja imamo tijekom izgaranja i izmjene radnoga medija.
U T-s dijagramu prikazan je samo visokotlačni dio procesa jer se tijekom izmjene radnoga
medija mijenja masa u cilindru motora.
V
p
+W
1
4
2
3 3’
s
T
W
3’
4
1
2
3
-W
Proces izmjene radnoga medija kod 4T motora
Razlikujemo izmjenu radnoga medija kod motora sa slobodnim usisom i kod motora s
prednabijanjem. Rad izmjene radnoga medija je kod motora sa slobodnim usisom
negativan, dok kod motora s prednabijanjem može biti i pozitivan.
V
p
+W
-W
+W
+W
p
V
p0
pP
pT
Tlak iza puhala
Tlak pred turbinom
Atmosferski tlak
Mjerenje promjene tlaka u cilindru motora
(indiciranje)
Mehanički indikator
Uređaj se spaja na indikatorski pipac spojen na
cilindar motora. Valjak za papir se preko redukcije
povezuje na križnu glavu. Kazaljka na papiru
ispisuje p-V dijagram. Mjerilo tlaka ovisi o
krutosti izmjenjive opruge.
Nedostatak ovoga indikatora je u tome što mu je
vlastita frekvencija vrlo niska (oko 300 Hz), tako
da nije pogodan za točna mjerenja brzih procesa
kod srednjehodnih ili bržih motora. Ponegdje se
još koristi na sporohodnim motorima (sve manje)
Mjerenje promjene tlaka u cilindru motora
(indiciranje)
Uređaj za elektroničko indiciranje
koristi davače tlaka na bazi
piezoelektričkog efekta. Ti davači
imaju visoku vlastitu frekvenciju
(preko 20 kHz) te omogućuju
točno snimanje vrlo brzih promjena
tlaka. Signal iz pojačala se danas
vodi u A/D konverter za pretvorbu
analognog signala u digitalni
podatak radi pohranjivanja u
računalu
Kut koljena
Računalo
Indicirani tlak Pojačalo
naboja
Podaci o radnim parametrima
Više kanlno
mjerno
pojačalo
Brzi A/D
konverter s
buffer
memorijom
Različiti mjerni signali
Uređaj za indiciranje tlaka u cilindru motora i druga mjerenja
pomoću elektroničkog računala
PODACI KOJI SE DOBIVAJU IZ INDICIRANE PROMJENE
TLAKA U CILINDRU MOTORA
Iz podataka indiciranja tlaka u cilindru motora dobivamo sljedeće vrijednosti:
• p-V i log p – log V dijagrami,
• Indicirani rad procesa,
• Indicirana snaga motora,
• Srednji indicirani tlak,
• Maksimalni tlak procesa,
• Prva i druga derivacija tlaka po kutu koljena,
• Promjena temperature u cilindru motora,
• T-s dijagram za visokotlačni dio procesa,
• Zakon oslobađanja topline (tijek izgaranja) i krivulja dovedene topline.
Razvijeni snimljeni indikatorski
dijagram (VUT Brno)
Indicirani p-V dijagram
promjene tlaka u cilindru
(VUT Brno)
Promjena temperature radnog
medija u cilindru motora
Zakon oslobađanja topline
(brzina izgaranja) za Ottov motor
Nakon ubrizgavanja goriva zraku u cilindru
se oduzima toplina potrebna za isparavanje
goriva. Tu je krivulja ispod nul-linije.
Upaljivanjem gorive smjese dolazi do
oslobađanja topline i krivulja je svo vrijeme
iznad nul-linije.
Krivulja dovedene topline
izgaranjem goriva
Naznačena su mjesta početka ubrizgavanja
(0%) i završetka izgaranja (100%)
INDICIRANA I EFEKTIVNA SNAGA
MOTORA
STUPNJEVI DJELOVANJA
INDICIRANA I EFEKTIVNA SNAGA MOTORA
Snaga (rad u jedinici vremena), koju su plinovi predali klipovima
motora, naziva se indicirana snaga.
Snaga, koju motor predaje potrošaču na svojoj spojci, naziva se
efektivna snaga.
Indicirana snaga je veća od efektivne snage za snagu mehaničkih
gubitaka na putu od klipova do spojke motora.
Indiciranu snagu dobivamo iz podataka indiciranja tlaka u cilindru
motora. Efektivnu snagu dobivamo mjerenjem snage na kočnici
motora.
MEHANIČKI GUBICI MOTORA
Mehaničke gubitke motora čine dvije skupine gubitaka:
• Gubici zbog trenja među dijelovima motora (trenja u ležajima motora, na
kliznim površinama, aerodinamičko trenje itd.)
• Gubici zbog pogona pomoćne opreme motora (pogon rashladne pumpe, pumpe
ulja za podmazivanje, sustava za ubrizgavanje goriva, pogon ventila, pogon
električnog generatora, pogon klima jedinice itd.)
Kada je spojka motora otkopčana, efektivna snaga motora je jednaka nuli. Tada
motor svojim radom pokriva samo mehaničke gubitke.
KOČENJE MOTORA
Efektivna snaga motora može se izmjeriti kočenjem. Moment kočenja
pomnožen s kutnom brzinom dati će efektivnu snagu motora, tj. Snagu koju
motor predaje na svojoj spojci, odn. zamašnjaku.
nFRMPef 2
Na kočnici se moment mjeri tako da se na kraku radiusa R mjeri sila reakcije F.
Na slobodnom kraju vratila kočnice mjeri se brzina vrtnje n. Da bi se
izračunavanje snage olakšalo, često se koristi takav radius kraka R da se to
omogući:
kW60
min2mkN
-1nRFPef
Za R/30 = 1/10 dobivamo da je R = 3, odnosno R = 0.955 m. Formula za
izračunavanje snage je tada:
kW
10
minkN -1nFPef
n
F Motor
Kočnica
Brzina vrtnje na rotoru kočnice
Sila reakcije na
kućištu kočnice
R
Kućište kočnice se izvodi tako da se može zakretati za jedan ograničeni
kut na svojim osloncima, kako bi se mogla mjeriti sila reakcije zbog
momenta kočenja.
Ako se za kočenje koriste kočnice s trenjem (mehaničkim, hidrauličkim ili
s vrtložnim strujama), sva efektivna snaga motora se pretvara u toplinu,
koju treba odvesti rashladnom vodom za hlađenje kočnice. Ako koristimo
električni generator za kočenje, dobivenu električnu energiju možemo
koristiti na neki pogodni način.
Danas se prednost daje električnim kočnicama s asinhronim generatorom
koji može raditi u generatorskom i u motornom području. Takva kočnica
nam omogućuje da kočimo motor ili da ga guramo (kao što npr. vozilo pri
kočenju svojom inercijom ili na nizbrdici gura motor vozila). Primjenom
ovakvih kočnica s upravljanjem pomoću računala, moguće je na samoj
kočnici ispitati uvjete rada motora pri pogonu vozila (npr. simulacije
vožnje Formule 1 na trkaćoj pisti ili teretnog vozila s različitim
stupnjevima prijenosa mjenjača)
EFEKTIVNI PODACI MOTORA
EFEKTIVNI PARAMETRI MOTORA
Efektivna snaga motora:
Srednji efektivni tlak:
Efektivni moment motora:
Specifična efektivna potrošnja goriva:
npKn
zVpt
WP efsrsefsr
ef
ef ,1,
2
s
ef
efsrVnz
Pp
2,
efsrsefsrsefsr
ef
ef pKz
Vpn
nzVp
PM ,2,,
2
2
ef
g
eP
mb
dgefef HmP
defdgef
g
ef
g
eHHm
m
P
mb
1
MJ/kg
6.3
J/MJ10MJ/kg
1
kW1
W1000
h1
s3600kg/kWh
6
defdef
eHH
b
SNAGA MOTORA
Nazivna snaga Pn je proračunska efektivna snaga koju motor može trajno davati. Brzina vrtnje
motora koja odgovara nazivnoj snazi naziva se nazivna brzina vrtnje. Vrijeme rada
motora na nazivnoj snazi ograničeno je propisima proizvođača.
Maksimalna snaga Pmax je najveća dopustiva efektivna snaga kojom možemo kratkotrajno
opteretiti motor (110 - 120% Pn). Trajanje preopterećenja je vremenski ograničeno,
obično na 1 sat svakih 12 sati rada motora.
Maksimalna trajna snaga (MCR) je najveća efektivna snaga pri kojoj motor može trajno raditi
bez vremenskog ograničenja. Obično ona iznosi 85 - 90% Pn. Brzina vrtnje za tu snagu
je nMCR.
Ekonomična snaga Pek je trajna snaga pri kojoj se postiže najmanja specifična potrošnja goriva i
iznosi 75 - 80% Pn.
Minimalna snaga Pmin je snaga koju motor može razviti pri minimalnoj, još stabilnoj brzini vrtnje.
PROPISI ZA SNAGU MOTORA
Vozilska snaga motora (DIN 70020) je snaga na spojci motora koji je serijski opremljen sa svom
opremom, uključujući usisni i ispušni cjevovod, pri danim uvjetima okoline: p0 = 101.3
kPa, T0 = 293 K (20 oC), relativna vlaga se zanemaruje.
Trajna snaga motora (DIN 6270, snaga A) je maksimalna snaga s kojom motor može trajno raditi
uz mogućnost kratkotrajnog preopterećenja za 10% u trajanju 1 sat svakih 12 sati rada.
Snaga se mjeri pri zadanim uvjetima okoline: p0 = 98 kPa, T0 = 293 K (20 oC), relativna
vlaga = 60%.
Trajna snaga motora (DIN 6271, snaga B, ISO 3046) je maksimalna trajna snaga s kojom motor
može raditi bez mogućnosti preopterećenja. Snaga se mjeri pri zadanim uvjetima
okoline: p0 = 98 kPa, T0 = 293 K (20 oC), relativna vlaga = 60%, temperatura rashladne
vode Trv = 300 K (27 oC).
Maksimalna trajna snaga brodskih motora (MCR) je maksimalna trajna snaga s mogućnosti
kratkotrajnog preopterećenja. Mjeri se kod zadanih uvjeta okoline: p0 = 100 kPa, T0 =
318 K (45 oC), relativna vlaga = 60%, temperatura rashladne vode Trv = 305 K (32 oC).
UTJECAJ UVJETA OKOLINE (ISO 3046)
Visinski položaj (tlak zraka). Povećanjem visine, na kojoj se motor koristi, smanjuje se gustoća
zraka, a time i snaga motora (za oko 1% svakih 100 m nadmorske visine iznad 500 m)
Temperatura. Povećanjem temperature smanjuje se gustoća zraka, a s njom i snaga motora (za
oko 3% svakih 10 oC povećanja temperature)
Vlaga u zraku. Povećanjem relativne vlage smanjuje se sadržaj kisika po masi i raste sadržaj vlage
koja će sniziti maksimalnu temperaturu procesa. Kod dizelskih motora se obično
zanemaruje utjecaj vlage.
Preračunavanje snage na nove uvjete okoline vrši se prema propisima ISO 3046.
Ottov motor za osobno vozilo
Dizelski motor za teretno vozilo
Univerzalni dijagrami motora s ucrtanim izolinijama jednake specifične
potrošnje goriva
Ovisnost djelotvornih pokazatelja
motora o brzini vrtnje pri radu motora s
propelerom
3
3 nKPef
TOPLINSKA BILANSA MOTORA
Energija dovedena
gorivom 100%
Mehanička
energijaToplinska
energija
Mehanički
rad 40%
Pogon
ventilatora
2%
Toplina ispušnih
plinova 30%
Toplina odvedena
rashladnom
vodom 24%
Toplina predana
zračenjem i
konvekcijom na
okoliš 4%Primjer bilanse topline za 4T dizelski motor
za teretno vozilo