Tepelné stroje z pohledu základního kursu fyziky 3. Poznámky k přednášce osnova •1. Idealizované tepelné cykly strojů s vnitřním spalováním, Ottův cyklus, Dieselův cyklus, Atkinsonův cyklus, •2. Způsob výměny směsi. Dvoudobé stroje, vyplachování. Čtyřdobé stroje, ventily, časování ventilů •3. Pístový benzínový motor: • Fyzika přípravy směsi, karburátor. Vstřikovací systémy (vážení vzduchu) Fyzika spalování směsi. Přeplňování. Reálná účinnost. • 4. Pístový naftový motor. Vstřikovací systém. Přeplňování • Ottův cyklus • A. Otto 1876. •idealisovaný cyklus sestává ze dvou adiabat spojených izochorami, složení plynu se nemění. otto_1 tlakový a entropický diagram pV a TS diag Ottův idealisovaný cyklus •Ve válci s pístem v dolní úvrati je μ molů pracovního plynu o objemu V1 tlaku p1 a teplotě T1. Píst stlačí plyn na objem V2, vzroste teplota na T2 a tlak na p2. Poměr V2 ku V1 se nazývá kompresní poměr. Následuje izobarický ohřev při p2 z teploty T2 na teplotu T3 . Poté plyn adiabaticky expanduje do objemu V1. Následuje izochorický pokles tlaku na hodnotu p1 a cyklus se opakuje. Práce idealisovaného Ottova cyklu a) kompresní práce při adiabatické kompresi z objemu V1 na objem V2 za předpokladu že κ a c v je konstantní • • • Práce idealisovaného Ottova cyklu b) izochorický ohřev •množství dodaného tepla při objemu V2 je Q2-3 • Práce idealisovaného Ottova cyklu b) expanzní práce při expanzi z objemu V2 na objem V1 • • • Práce idealisovaného Ottova cyklu tepelná účinnost Ottova cyklu k V1/V2 4 6 8 10 12 14 1,2 0,24 0,3 0,34 0,37 0,39 0,41 1,3 0,34 0,42 0,46 0,5 0,53 0,55 1,4 0,43 0,52 0,57 0,61 0,63 0,65 1,61 0,63 0,66 0,72 0,75 0,78 0,8 Dieselův cyklus •Rudolph Diesel in 1897 •idealisovaný cyklus sestává ze dvou adiabat spojených jednou izobarou a jednou izochorou, složení plynu se nemění. Měrná tepla plynu nezávisí na teplotě. Práce idealisovaného Dieselova cyklu a) kompresní práce při adiabatické kompresi z objemu V1 na objem V2 za předpokladu konstantnosti cv a κ • • • Práce idealisovaného Dieselova cyklu b) izobarický ohřev •množství dodaného tepla při tlaku p2 je Q2-3 •vykonaná práce A2-3´při tlaku p2 • Práce idealisovaného Dieselova cyklu b) expanzní práce při expanzi z objemu V3 na objem V1 • • • účinnost rovnotlakého Dieselova cyklu tepelná účinnost Dieselova cyklu k V1/V2 V4/V3 1 1,5 2 2,5 3 3,5 1,4 13 0.56 0,53 0,51 0.49 0,47 0,45 16 0,67 0,64 0,61 0,59 0,57 0,55 Motivy pro konstrukci jiného cyklu než Ottova •Obejít nevýhodu Ottova cyklu, která spočívá ve vysokých spalovacích teplotách. •Obejít problém nízkých oktanových čísel těkavých frakcí ropy. Buďto je zapotřebí přísad, nebo poměrně nízkého kompresního poměru a tím i účinnosti. • Motivy pro konstrukci jiného cyklu než Ottova 1.Obejít problém zapalování elektrickou jiskrou, které vyžaduje vysoké napětí (příčina nespolehlivosti), poměrně přesně nastavený poměr paliva a vzduchu ve směsi, jinak k zapálení nedojde. Závislost izolační pevnosti plynu na tlaku • hranice zápalnosti palivo hranice zápalnosti dolní- horní konc. % plyn. fáze µ % plyn. fáze µ vodík 9,5 4 65 0,23 metan 6 1,6 13 0,7 benzín 2 1,3 5 0,5 etanol 4 1,7 14 0,4 zapalování paliva •podmínka zapálení- dosažení aktivační energie v určitém objemu •energie jiskry cca 10mJ •variabilita hoření 330 -750 • akt. energ.MJ/mol nafta 45 benzín 90-150 metan ?400 benzin_emise Cyklus s prodlouženou expanzí -Atkinsonův cyklus T_cycle_AtkinsonMiller cyklus s úplnou expanzí p-V_turb reálné provedení p-V_turb_staly_p Provedení - 4 dobý motor výfuk-sání Four_stroke_cycle_exhaust Four_stroke_cycle_intake komprese -expanze Four_stroke_cycle_spark Four_stroke_cycle_power dvoudobý motor twos_xfer twos_cmp twos_pwr Reálný oběh Ottův cyklus p-V_Tdiag_vybus Reálný oběh Dieselův cyklus rovnotlak p-T-V diag _rovnotlak Reálný oběh Dieselův cyklus p-V-T diag_smis_spal ztráty (třením) v motoru •mechanické ztráty •práce potřebná k výměně náplně •podtlak potřebný k nasátí náplně. • v směsi při sání 20-30 m/s •přetlak při výfuku • v splodin 30-50 m/s regul_skrceni ztráty třením v motoru ztrátový podíl% motor benzínový naftový píst s kroužky 50-65 60-70 ložiska 6-10 8-15 rozvod 5-8 6-10 pomocná zařízení 6-12 5-10 plnění 12-25 10-20 ztráty třením •střední úhrnný odpor přepočítaný na tlak ve válci (1-2,5) 105 Pa ztráty přestupem tepla clerkuv_p_Vdiagram ztráty přestupem tepla prubeh_teploty výhřevnost-spalné teplo •výhřevnost≈ spalné teplo – 2.27*106 (m H2 O) J • • • Výhřevnost m 3 směsi MJ hustota Spalné teplo MJ/kg výhřevnost Teoretická spotřeba vzduchu m3 kg-1 benzín 3,43 0,72 46,9 43,5 12,7 metan Motorová nafta 3,43 0,84 43,4 41,8 12,16 Etylalkohol 96% 3,43 0,81 28,2 25,2 7,35 etylalkohol 3,45 0,794 29,7 26,7 7,7 Normální a detonační hoření norm_a_deton_spal Ohřev směsi ohrev_smesi_vyhrevnost Průběh spalování paliva u naftového motoru v závislosti na časování prubeh_spal_na _pootoc Regulace výkonu regul_jakost Regulace výkonu regul_skrceni regulace výkonu regulace_casovani