Instrukcja_do_cwiczenia_10-NOWA(3).pdf

(1591 KB) Pobierz
POLITECHNIKA WARSZAWSKA
Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych
Instytut Pojazdów
LABORATORIUM TERMODYNAMIKI
ĆWICZENIE NR 10
Obliczanie parametrów procesu roboczego
tłokowego silnika spalinowego
Opracowali
Dr inż. Ewa Fudalej
Dr inż. Maciej Tułodziecki
Warszawa, luty 2008
Laboratorium Termodynamiki
Ćwiczenie nr 10. Obliczanie parametrów procesu roboczego tłokowego silnika spalinowego
1. WYKRES OBLICZENIOWY I WYKRES INDYKATOROWY SILNIKA
1.1 Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest:
1. Wykonanie obliczeniowego wykresu pracy czterosuwowego silnika spalinowego we
współrzędnych p,V z wykorzystaniem przykładowych danych. Wykres taki jest zwykle
wykorzystywany do określenia przebiegu sił występujących w układzie korbowym.
2. Zapoznanie się z pojęciem wykresu indykatorowego silnika oraz sposobami opracowania
wyników pochodzących z pomiaru.
Ćwiczenie ma za zadanie zmniejszenia luki występującej między informacjami, jakich na temat
obiegów silnikowych dostarcza czysta teoria silników cieplnych, a potrzebami, na jakie natrafia
konstruktor przygotowujący wstępny projekt silnika lub badacz dokonujący pomiarów na istniejącym
silniku spalinowym.
Niniejsza instrukcja stanowi ujęcie tematu z punktu widzenia konstrukcji i badania silników, i dlatego
jest oparta wyłącznie o literaturę z tego zakresu. Termodynamika procesów stanowi jedynie narzędzie
do realizacji zadania i nie leży w środku ciężkości rozważanych problemów.
W celu rozpoznania takiego podejścia do zagadnienia posłużymy się cytatem z podręcznika pt.
„Obliczenie tłokowego silnika spalinowego” prof. J.Jędrzejowskiego (podkreślenia w tekście autora
instrukcji):
„Rzeczywisty wykres pracy silnika, czyli wykres przedstawiający przebieg ciśnienia p w cylindrze
roboczym silnika w zależności od objętości V gazów zawartych w cylindrze między głowicą
a tłokiem, stanowi podstawę do określenia głównych wielkości charakterystycznych silnika, a między
innymi do wyznaczenia siły nacisku gazów, oddziałującej na mechanizm korbowy.
Wykres pracy wykonanego już silnika wyznacza się za pomocą indykatora. Przy projektowaniu
nowego silnika można oprzeć się na wykresie silnika pokrewnego typu lub też na zaprojektowanym
wykresie, wyznaczonym na podstawie danych liczbowych zaczerpniętych z praktyki.
Do podstawowych wielkości, które odczytuje się z wykresu, należy średnie ciśnienie
indykowane p i oraz maksymalne ciśnienie spalania p max . Należy zaznaczyć, że przy wykonywaniu
projektu wstępnego można obyć się bez wykresu pracy , gdyż wartości liczbowe wymienionych
wielkości (p i , p max ), dotyczące wykonanych konstrukcji, można znaleźć w literaturze technicznej.
Korzystnie jest jednak rozporządzać takim wykresem.
Rzeczywisty przebieg ciśnienia w cylindrze stanowi podstawę do sporządzenia wykresu sił
stycznych (obwodowych), który jest wykorzystywany do obliczenia koła zamachowego
2
1133012523.011.png
Laboratorium Termodynamiki
Ćwiczenie nr 10. Obliczanie parametrów procesu roboczego tłokowego silnika spalinowego
(niejednostajności biegu) i drgań skrętnych układu korbowego. Jednakże i w tym przypadku
można uniknąć wykonania wykresu, opierając się na analizie wykresów silników pokrewnych
typów.
Rzeczywisty wykres pracy silnika odbiega od wykresu teoretycznego wskutek oddziaływania ścian
cylindra, przewlekłości spalania, zmienności ciepła właściwego, oporów przy przepływie gazów itp.
Należy podkreślić, że dla konstruktora najważniejszy jest przebieg ciśnienia, natomiast przebieg
temperatury ma znaczenie drugorzędne, powinien on być jednak pośrednio uwzględniony ze względu
na znaczny wpływ temperatury na ciepło właściwe gazów roboczych.”
1.2 Wykres obliczeniowy silnika
W celu sporządzenia wykresu obliczeniowego (rys. 1.2.1.) musimy przygotować określony zestaw
danych. Ponieważ założeniem jest, że wykres taki sporządzamy na samym początku pracy przy
projekcie wstępnym silnika zależy nam na tym, aby przyjętych danych było możliwie mało.
7
3
4
6
5
4
3
2
2
1
5
1
0
0
0,0001
0,0002
0,0003
0,0004
Objętość [m 3 ]
Rys. 1.2.1. Wykres obliczeniowy
Na samym początku należy też podjąć decyzję czy rozważamy silnik o zapłonie samoczynnym czy
o zapłonie iskrowym, co jest istotne z punktu widzenia rozwijanych prędkości obrotowych i stopnia
sprężania.
3
1133012523.012.png 1133012523.013.png 1133012523.014.png 1133012523.001.png 1133012523.002.png 1133012523.003.png 1133012523.004.png 1133012523.005.png 1133012523.006.png 1133012523.007.png 1133012523.008.png
 
Laboratorium Termodynamiki
Ćwiczenie nr 10. Obliczanie parametrów procesu roboczego tłokowego silnika spalinowego
Ponieważ projektowany silnik ma służyć do napędu określonej maszyny, jako podstawowe założenie
traktujemy maksymalną moc i prędkość obrotową. W przypadku np. samochodu, te parametry
wynikają z wymagań stawianych silnikowi, określonych na podstawie obliczeń trakcyjnych
projektowanego pojazdu
Wiedząc jaką moc ma rozwijać silnik i zakładając pewien kompromis pomiędzy gabarytami
a trwałością konstrukcji, możemy założyć określoną objętość skokową oraz liczbę i układ cylindrów.
Dysponując tak określonymi założeniami, możemy obliczyć objętość cylindra w dolnym i górnym
położeniu tłoka, czyli potrzebne do konstrukcji wykresu objętości w punkcie 1 - V 1 i w punkcie 2 - V 2 .
Załóżmy teraz wykładniki politrop sprężania i rozprężania.
W dalszej fazie ćwiczenia możemy sprawdzić wpływ przyjętych wartości na kształt wykresu i
przekonać się, że to, co istotne z punktu widzenia czystej termodynamiki, z punktu widzenia
konstrukcji silnika staje się, wobec innych założeń, mało istotnym szczegółem.
Powinniśmy też założyć ciśnienie początkowe sprężania, które, jeśli nasz wykres ma upodobnić się do
rzeczywistego, powinno być niższe niż ciśnienie atmosferyczne.
Uwzględniamy to, zakładając stałe podciśnienie suwu napełnienia i stałe nadciśnienie suwu wylotu.
Dysponując danymi:
−
ciśnienie końca suwu napełnienia - p 1 ,
−
stopień sprężania - ε,
− wykładnik politropy sprężania,
możemy obliczyć ciśnienie końca sprężania p 2 .
Na tym etapie obliczeń zakładamy (chwilowo), że wykres obliczeniowy będzie kształtem przypominał
wykres obiegu teoretycznego Otto, co oznacza, że całe ciepło zostanie doprowadzone i odprowadzone
izochorycznie. W ten sposób obliczymy maksymalną wartość ciśnienia, jakie może wystąpić w takim
obiegu w najbardziej niekorzystnym wypadku.
Teraz przystępujemy do obliczenia ilości ciepła dostarczonej do obiegu w celu określenia parametrów
punktu 3.
Dysponując danymi:
−
maksymalna moc efektywna N e ,
−
prędkość obrotowa maksymalnej mocy efektywnej n N ,
− objętość skokowa V ss ,
możemy, posługując się wzorem określającym moc silnika, wyznaczyć średnie ciśnienie efektywne:
60
⋅
N
⋅
τ
e
p
=
e
V
⋅
n
ss
gdzie: p e [MPa] – ciśnienie użyteczne (efektywne),
N e [kW] – moc użyteczna (efektywna) silnika,
n [obr/min] – prędkość obrotowa mocy efektywnej,
V ss [dm 3 ] - objętość skokowa silnika.
4
1133012523.009.png
 
Laboratorium Termodynamiki
Ćwiczenie nr 10. Obliczanie parametrów procesu roboczego tłokowego silnika spalinowego
τ - współczynnik uwzględniający liczbę suwów na jeden obieg silnika,
τ = 2 – dla silnika czterosuwowego.
Ponieważ jednak naszym celem jest zbadanie tego, co dzieje się wewnątrz cylindra silnika, a nie na
zewnątrz, czyli na jego kole zamachowym, musimy posłużyć się mocą indykowaną zamiast
efektywną. Aby to uczynić musimy założyć sprawność mechaniczną η m projektowanego silnika.
Pozwoli to na obliczenie średniego ciśnienia indykowanego.
p
p
=
e
i
η
m
Skorzystajmy teraz z jego definicji:
Średnie ciśnienie indykowane jest to takie stałe ciśnienie umowne, które działając na tłok w czasie
suwu rozprężania wykona taką samą pracę jak zmienne ciśnienie rzeczywiste oddziaływujące na tłok
w okresie całego obiegu.
A zatem praca indykowana, to praca wykonana przez siłę nacisku gazów na tłok (ciśnienie
indykowane * powierzchnia tłoka) na drodze jednego suwu.
Aby dokonać tego obliczenia musimy określić wielkość skoku tłoka i jego średnicę, ale aby to zrobić
musimy założyć S/D, czyli stosunek skoku tłoka do średnicy cylindra.
Dysponując wielkością pracy indykowanej, obliczymy ilość ciepła dostarczonego do obiegu.
W tym celu skorzystamy z pojęcia sprawności obiegu. Ponieważ założyliśmy określony kształt obiegu
(Otto) to obliczenie dostarczonego ciepła za pomocą wzoru na sprawność obiegu nie nastręcza
trudności.
Dzięki temu uzyskamy wartość maksymalnego możliwego ciśnienia obiegu.
Ponieważ do dalszych obliczeń ZAŁOŻYMY maksymalne ciśnienie obiegu, obliczona wartość
maksymalnego możliwego ciśnienia (zwykle o wiele za duża) służy jako górna granica tego, co
możemy założyć. Dolną granicą jest oczywiście ciśnienie sprężania, co odpowiada wykresowi pracy
dla silnika „kręconego” rozrusznikiem.
Prosty program obliczeniowy nie może obliczyć maksymalnego ciśnienia obiegu, ponieważ nie
uwzględnia żadnego parametru geometrycznego komory spalania, co dla przebiegu spalania (a zatem
sposobu narastania ciśnienia) ma znaczenie kluczowe. Dlatego odpowiedzialność za tę wartość musi
w oparciu o doświadczenie i znajomość podobnych konstrukcji wziąć na siebie konstruktor silnika.
Nasz program podaje jedynie granice przekroczenie których spowoduje, że obiegu po prostu nie da się
utworzyć.
A zatem, ograniczając ciśnienie p 3 powodujemy jakby „mechaniczne” ucięcie wykresu
obliczeniowego na wysokości p 3 . Rzecz jasna, ciśnienie indykowane tak obciętego wykresu będzie
niższe od założonego, ponieważ zmniejszyliśmy jego pole pracy.
Możemy to skorygować przesuwając punkt V 4 , czyli zwiększając ilość ciepła dostarczaną
izobarycznie. Aby utworzyć wykres, który spełni jednocześnie kryterium założonego maksymalnego
5
1133012523.010.png
 

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin