10.10.2010
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ
FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ - ENERGETICKÝ ÚSTAV
ODBOR TERMOMECHANIKY A TECHNIKY PROSTŘEDÍ
doc. Ing. Josef ŠTETINA, Ph.D.
Seminář aplikované termomechaniky
Předmět 3. ročníku BS
11. 10. 2010
http://ottp.fme.vutbr.cz/sat/
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 . . . 36
Čtyřdobý zážehový
(benzínový) motor
Čtyřdobý vznětový
(naftový) motor
Dvoudobý zážehový
(benzínový) motor
Zážehový
(benzínový) motor s
rotačním pístem
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 . . . 36
1
10.10.2010
Podle způsobu
rozlišujeme:
Kontaktnízapálení pohonné směsi
Bezkontaktní
a) motory zážehové (palivo zažehne jiskra svíčky)
b) motory vznětové (palivo se vznítí)
Podle počtu dob v pracovním cyklu rozlišujeme:
zážehové motory (benzínové)
a) Dvoudobé
b) Čtyřdobé
vznětové (Dieselové)
Podle nasávaného vzduchu:
a) Atmosferické
b) Přeplňované
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 . .
.
36
HISTORIE
1860 - Joseph Étienne Lenoir (1822 – 1900) navrhuje první motor s vnitřním
spalováním, s uhlím a vzduchem jako palivem.
1876 - Nikolaus Otto (1832 – 1891) vyvíjí čtyřdobý motor. 1867 – dvojtaktní motor
1883 - Gottlieb Daimler (1834-1900) staví první benzínový motor.
1897 - Rudolf Diesel (1858 – 1913) vysokotlaký motor se samočinným zážehem
1884 - Charles Parsons staví první parní turbínu na výrobu elektřiny.
1926 - Robert Goddard vypouští první raketu na kapalné palivo.
1930 - Frank Whittle patentuje vynález tryskového motoru.
1956 - Felix Wankel (1902 - 1988,) vyvíjí Wankelův motor.
Gottlieb Daimler
Rudolf Diesel
Joseph Étienne Lenoir
Nikolaus Otto
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 .
.
. 36
2
10.10.2010
LODNÍ MOTOR
Motor – 108 920 PS, Rozměry: 26,7m x 13,2m.
Hmotnost: 2300 tun, Spotřeba: 6 275 l / h
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 .
.
. 36
ZMĚŘENÝ p-V DIAGRAM
MOTOR ŠKODA 1.4 MPI
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 . . . 35
3
10.10.2010
HISTORICKÝ VÝVOJ
Převzato z Autoexpert 9/2009
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 . . . 36
POROVNÁVACÍ DIAGRAM
OBECNÉHO CYKLU
stupeň komprese
(kompresní poměr)
1
V
V  Vk T1  p 3  
 1 z
  
V3
Vk
T2  p1 
stupeň izochorického
zvýšení tlaku

p 4 T4

p 3 T3
stupeň izobarického
zvětšení objemu

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 . . .
V5 T5

V4 T4
36
4
10.10.2010
STŘEDNÍ TEORETICKÝ TLAK
PRACOVNÍCH OBĚHŮ
p ts 
A0
Vz
Výkon čtyřdobého motoru
Pt 
A 0  n pts  Vz  n

2
2
Stará pravda:
Objem ničím
nenahradíš.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 . . . 36
PRACOVNÍ CYKLUS SPALOVACÍHO
MOTORU
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 . . . 36
5
10.10.2010
TRANSFORMACE ENERGIE
1 . . . 9 10 11 12 13 14 15 . . . 36
ZÁKLADNÍ POJMY
Kompresní poměr

Objem obsazený vzduchem v DÚ
1
Objem obsazený vzduchem v HÚ
HÚ – horní úvrať, horní mrtvá poloha
(TDC)
DÚ – dolní úvrať, dolní mrtvá poloha
(BDC)
Vrtání – průměr válce
Zdvih – dráha mezi HÚ – DÚ
Komresní objem – objem nad pístem v
HÚ
Zdvihový objem – objem mezi HÚ do DÚ
Objem válce – Kompresní + zdvihový
1 . . . 9 10 11 12 13 14 15 . . . 36
6
10.10.2010
OTTŮV CYKLUS – ZÁŽEHOVÉHO
MOTORU
1 . . . 9 10 11 12 13 14 15 . . . 36
TERMICKÁ ÚČINNOST-OTTOVA
CYKLU
bod 1:
p1, V1, T1
bod 2:
p 2  p1   
bod 3:
bod 4:
p 3  p 1    
p4  p1 
 tz  1 
Q Cv
Q Hv
V2 
V1
T2  T1    1

V3 
V1

V4  V1
 1
T3  T1     1
V1
V2

p3
p2
T4  T1 
m  cv   T4  T1 
m  cv   T3  T2 
tz  1 

 1
T4  T1
T3  T2
1

 1
1 . . . 9 10 11 12 13 14 15 . . . 36
7
10.10.2010
VLIVY NA TERMICKOU ÚČINNOST
OTTOVA CYKLU
1 . . . 9 10 11 12 13 14 15 . . . 36
15
SOUVISLOST KOMPRESNÍHO POMĚRU
A MECHANICKÉ ÚČINNOSTI
1 . . . 10 11 12 13 14 15 16 . . . 36
8
10.10.2010
PŘEDSTIH ZÁŽEHU
1 . . . 11 12 13 14 15 16
17 . . . 36
CHARAKTERISTICKÉ PARAMETRY
ZÁŽEHOVÝCH MOTORŮ
rok
Kompresní poměr Jmenovité otáčky
[-]
[min-1]
Střední efektivní
tlak [MPa]
Objemový výkon
[kW.dm-3]
min
max
min
max
min
max
min
max
1966
6,6
9
3400
5700
0,65
1,1
15
37
1994
7,5
10,5
4000
6500
0,65
1,5
25
80
2003
9
12,5
4500
8800
0,8
1,3
31
88
1 . . . 16 17 18 19 20 21 22 . . . 36
9
10.10.2010
DIESLŮV CYKLUS – ROVNOTLAKÝ
CYKLUS
1 . . . 16 17 18 19 20 21 22 . . . 36
TERMICKÁ ÚČINNOST-DIESLOVA
CYKLU
t  1 
QC
QH
 1
kompresní poměr

stupeň izobarického
zvětšení objemu

m  cv  T4  T1 
m  c p  T3  T2 
 1
1


 1
  1
  (  1)
V1 Vz  Vk

V2
Vk
V3
V2
1 . . . 16 17 18 19 20 21 22 . . . 36
10
10.10.2010
SABATŮV CYKLUS – VZNĚTOVÉHO
MOTORU
1 . . . 16 17 18 19 20 21 22 . . . 36
TERMICKÁ ÚČINNOST-SABATOVA
CYKLU
bod 1:
p1, V1, T1
p 2  p1   
V2 
V1
bod 3:
p 3  p 1    
V3 
V1
bod 4:
p 4  p1    
bod 5:

bod 2:
t  1 
t  1 
p 5  p 1   
QCv
Q Hv  Q Hp
1


 1
 1

T2  T1    1


V4  V1 
V5  V1



p3
p2

V3
V2
T3  T1     1
T4  T1     
 1
V1
V2
T5  T1    
m  cv   T5  T1 
m  cv   T3  T2   m  cp   T4  T3 
   1
        1     1
1 . . . 16 17 18 19 20 21 22 . . . 36
11
10.10.2010
VLIV STUPNĚ ZVÝŠENÍ TLAKU
1 . . . 17 18 19 20 21 22 23 . . . 36
VLIV ZVÝŠENÍ OBJEMU
1 . . . 18 19 20 21 22 23
24 . . . 36
12
10.10.2010
CHARAKTERISTICKÉ PARAMETRY
VZNĚTOVÝCH MOTORŮ
rok
Kompresní
poměr [-]
Jmenovité
otáčky [min-1]
Objemový
výkon
[kW.dm-3]
Střední efektivní
tlak [MPa]
min
max
min
max
min
max
min
max
1966
19
21
3800
4200
0,68
0,72
13
19
1994
19
23
3400
5000
0,6
1,1
20
38
2003
16
21
3000
4400
0,75
1,7
25
58
1 . . . 23 24 25 26 27 28 29 . . . 36
POROVNÁNÍ PŘI QHO=QHS A STEJNÝCH
KOMPRESNÍCH POMĚRECH εO=εS
 tO  1 
Q CO
Q HO
>
QCO
<
tS
 1
QCS
Q HS
QCS
Účinnější Ottův cyklus
1 . . . 23 24 25 26 27 28 29 . . . 36
13
10.10.2010
Porovnání při QHO=QHS A STEJNÝCH
TLACÍCH pmaxO= pmaxS A pminO= pminS
 tO  1 
Q CO
Q HO
QCO
<
tS
>
 1
QCS
Q HS
QCS
Účinnější Sabatův cyklus
1 . . . 23 24 25 26 27 28 29 . . . 36
STEJNÉ QHO=QHS A STUPNĚ
KOMPRESE DLE PRAXE
 tO  1 
Q CO
Q HO
QCO
<
tS
>
 1
QCS
Q HS
QCS
Účinnější Sabatův cyklus
1 . . . 23 24 25 26 27 28 29 . . . 36
14
10.10.2010
POROVNÁNÍ QHO=QHS A STEJNÉ MAXIMÁLNÍ A
MINIMÁLNÍ OBJEMY VmaxO=VmaxS A VminO=VminS
 tO  1 
Q CO
Q HO
QCO
>
tS
 1
<
QCS
Q HS
QCS
Účinnější Ottův cyklus
1 . . . 23 24 25 26 27 28 29 . . . 36
CARNOTIZACE CYKLU POKUD
ROZDÍLNÁ PŘIVEDENÁ TEPLA
Účinnější Sabatův cyklus
1 . . . 25 26 27 28 29 30 31 . . . 36
15
10.10.2010
1 . . . 26 27 28 29 30 31 32 . . . 36
PARAMETR
měrná hmotnost
bod varu
spodní výhřevnost
spodní výhřevnost
stechiometrický
poměr
zápalná teplota
rychlost hoření
1 . . . 26
Benzín
kg.m-3
oC
MJ.kg-1
MJ.m-3
kg.kg-1
oC
m.s-1
Nafta
Vodík
kapalný
0,73
38  204
44,9
32700
14,8
0,86
160  343
43,0
36800
14.5
0,071
-253
120
8520
34.6
257
0.34
210
0.34
574
2.7
27 28 29 30 31 32 33 36
16
10.10.2010

m přivedeného vzduchu [ kg ]
teoretické m (14,8) [kg ]
1 . . . 26
27 28 29 30 31 32 33 36
1 . . . 28 29 30 31 32 33 34 35
36
17
10.10.2010
1 . . . 28 29 30 31 32 33 34 35 36
n – úhel otočení
1 . . . 26
T-S
27 28 29 30 31 32 33 34
18
Download

doc. Ing. Josef ŠTETINA, Ph.D. Seminář aplikované