brodski pogonski strojevi 10. predavanje

Zavod za tehničku termodinamiku i energetiku Katedra za brodsko strojarstvo Tehnički fakultet Rijeka

Brodski pogonski strojevi 10. Predavanje Svojstva tvari i goriva Prof. dr. sc. Vladimir Medica 2011. 1

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

dovT Q

Q

Q

QQ

Q

W

1

2

3

3

'3

2

3

1

4

2

1

3'323

14

11

1

11

TT

TT

TT

TT

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



Te r

mod

ina m

i čki

st u

panj

dj e

lova

nja

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



Te r

mod

ina m

i čki

st u

panj

dj e

lova

nja

Stupanj kompresije

x = 0

x = 1.0


= 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

ssr

ssr VpW

1111

Vp

Q

p

p dovTsr



Om

jer

tl ako

va p

s r / p

1

Stupanj kompresije

x = 0

x = 1.0


= 1.0

1111

Vp

Q

p

p dovTsr



Om

jer

tl ako

va p

s r / p

1

Stupanj kompresije

x = 0

x = 1.0


= 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



Om

jer

tl ako

va p

s r / p

ma x

Stupanj kompresije

x = 0

x = 1.0


= 1.0

131 Vp

Q

p

p dovTsr



Om

jer

tl ako

va p

s r / p

ma x

Stupanj kompresije

x = 0

x = 1.0


= 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

GM

T

Sat

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:

kW10

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

efef ,1,

2

s

efefsr Vnz

Pp

2,

efsrsefsrsefsref

ef pKz

Vpn

nzVp

PM ,2,, 2

2

ef

ge P

mb

dgefef HmP

defdgef

g

ef

ge HHm

m

P

mb

1

MJ/kg

6.3

J/MJ10MJ/kg

1

kW1

W1000

h1

s3600kg/kWh

6defdef

e HHb



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



33 nKPef



TOPLINSKA BILANSA MOTORA



Energija dovedena gorivom 100%

Mehanička energija

Toplinska 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

brodski pogonski strojevi 10. predavanje

Documents