Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Ing. Jan Hromádko, Ph.D. Témata cvičení 1. Úvod, bezpečnost a protipožární ochrana. 2. Charakteristiky motorových paliv. 3. Pracovní oběhy zážehových motorů. 4. Pracovní oběhy vznětových motorů. 5. Účinnosti spalovacích motorů. 6. Charakteristiky vznětových motorů. 7. Objemová účinnost vznětových motorů. 8. Charakteristiky zážehových motorů. 9. Ztrátový moment zážehových motorů. 10. Chlazení spalovacích motorů 11. Mazání spalovacích motorů 12. Zápočet

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Základní chemické reakce při spalování Elementární složení 1 kilogramu paliva můžeme napsat ve formě kde malá písmena představují hmotnostní podíly prvků C, H 2, S, O 2 v 1 kg paliva a mají rozměr kg/kg paliva. Při hoření reagují podle následujících rovnic: Uhlík: nebo

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Vodík: Síra: Konkrétní tvar těchto rovnic, vyjádřený pro 1 kg spalitelného prvku nebo pro jeho hmotnostní množství v 1 kg paliva bude pak pro Uhlík:

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Obdobně bude pro další rovnice: Spalovací motory Vodík: Síra:

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Množství kyslíku a vzduchu potřebné pro spalování Teoretické množství kyslíku, potřebné pro dokonalé spálení 1 kg paliva, je součet množství, příslušejících jednotlivým spalitelným prvkům (viz spalovací rovnic.) Hmotnostně [kg·kg -1 ]: nebo molově [kmol·kg -1 ]: Poslední rovnici můžeme po úpravě napsat jako

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Výraz v hranaté závorce je tzv. charakteristika paliva a označuje se . Obsahuje všechny prvky v palivu a je pro palivo daného složení konstantní Teoretické molové množství kyslíku se pak vyjadřuje jednodušeji Hmotnostní podíl kyslíku ve vzduchu je zhruba 23,2 %‚ objemový 21 %. Teoretické množství vzduchu, potřebné k dokonalému spáleni 1 kg paliva bude proto: Hmotnostně [kg·kg -1 ]: nebo molově [kmol·kg -1 ]:

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Pro praktickou potřebu je nejvhodnější rozměr množství kyslíku ve vzduchu v m 3 na 1 kg paliva. Z hmotnostního nebo molového množství lze na tento rozměr přejít řadou způsobů např. s použitím měrně hmotnosti kyslíku a vzduchu  [kg·m 3 ]. množství kyslíku pak lze vyjádřit např.: a množství vzduchu např.:

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Součinitel přebytku vzduchu Množství vzduchu, skutečně do motoru přivedené, se od teoreticky potřebného liší. Poměr obou množství se nazývá součinitel přebytku vzduchu. Se vztažením k 1 kg paliva jej lze vyjádřit: nebo Součinitel přebytku vzduchu lze také definovat: M V hmotnost suchého vzduchu ve směsi [kg] (skutečné nasáté) M p hmotnost paliva ve směsi [kg] L VT teoretické množství suchého vzduchu potřebné k dokonalé oxidaci 1 kg paliva [kg/kg] kde:

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Součinitel přebytku vzduchu Při  > 1 probíhá spalování s přebytkem vzduchu, směs vzduchu s palivem se nazývá chudá. Přitom spaliny obsahují ještě nevyužitý přebytečný kyslík. Takové spalování se označuje jako úplné Není-li ve spalinách přebytečný kyslík a veškerý uhlík se spálil na CO 2 znamená to, že skutečné množství přivedeného vzduchu se rovná teoreticky potřebnému, hodnota = 1 a spalování se nazývá dokonalé. Směs palivo - vzduch má správné, stechiometrické, složení. Při nedostatku vzduchu, kdy < 1‚ je spalování neúplné. Spaliny obsahují CO, který je možno dále spalovat. Směs palivo-vzduch je “bohatá“. Součinitel přebytku vzduchu může být větší, rovný nebo menší než 1.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Množství čerstvé náplně Čerstvá náplň válce je směs vzduchu s palivem. U motorů s vnějším tvořením smě si (např. karburátorových a nepřímé vstřikování benzínu) přichází do válce směs už vytvořená. U motorů s vnitřním tvořením směsi (naftových) vstupuje do válce čistý vzduch. Množství čerstvé náplně, vztažené k 1 kg paliva, se u motorů s vnějším tvoře ním směsi vyjádří Hmotnostně [kg·kg -1 ]: U motorů s vnitřním tvořením směsi, kde se palivo dostává do válce až na konci komprese, se objem paliva zanedbává. Tvoří jen asi 0,01 % objemu vzduchu při = 1. Množství čerstvé náplně bude u těchto motorů Hmotnostně [kg·kg -1 ]:

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Množství spalin Počet složek spalin a jejich množství jsou závislé na složení paliva a na kvalitě spalovaní. Množství spalin je součet zplodin jednotlivých prvků, obsažených v paliva a dusíku, někdy i kyslíku, obsaženém ve vzduchu. Reakce dusíku s kyslíkem je při běžných podmínkách spalování nepatrná a při výpočtu se zanedbává. Hmotnostní podíl dusíku ve vzduchu je zhruba 77 %‚ objemový 79 %. Výpočet je uveden pouze pro dokonalé spalování ( = 1), které je charakteristické tím, že spaliny obsahují CO 2, H 2, N 2 případně i SO 2, tedy CO 2 + H 2 O + SO 2 + N 2 Množství spalin, vztažené k 1 kg paliva, bude Hmotnostně [kg·kg -1 ]:

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Množství zbytků spalin Po ukončení pracovního oběhu zůstane, vlivem nedokonalého vyplachování ve spalovacím prostoru část spalin. Tato část se označuje jako množství zbytků spalin. Jejich množství závisí především na způsobu vyplachování válce a jejich chemické složení se s určitou nepřesností předpokládá stejné jako u vlastních spalin. Vliv zbytků spalin na práci motoru je negativní, protože zabírají část objemu na úkor čerstvé směsi.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Množství zbytků spalin Stupeň znečištění čerstvé náplně válce zbytky spalin se charakterizuje součinitelem zbytků spalin, je definován jako poměr zbytků spalin a čerstvé náplně, v molovém počtu tedy např.: Poměr můžeme vyjádřit stavovými rovnicemi jako

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Množství zbytků spalin Za předpokladu rovnosti R a = R zb se výraz pro součinitel zbytků spalin zjednodušuje Následující tabulka ukazuje rozsahy uvedených veličin u obou hlavních typů motorů. Tlak p v je tlak výfukových plynů.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Skutečná množství spalin Z předchozích úvah vyplývá, že skutečná pracovní náplň válce při sání a kompresi je směs čerstvé náplně a zbytků spalin. Toto množství pracovní náplně je potom např.: molově [kmol·kg -1 ]: Náplň při expanzi a výfuku není sice směs různorodých náplní, ale její množství se určí součtem množství spalin a množství jejich zbytků, např.: molově [kmol·kg -1 ]: a nazývá se množství zplodin hoření

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Příklad: Určete teoretické množství vzduchu potřebné pro dokonalé spálení 1 kg paliva. Je dáno: Složení paliva: Hmotnostní podíl uhlíku C = 0,86, vodíku H = 0,135, kyslíku O = 0,0045, síry S = 0,0005 Zadané parametry vzduchu: T 0 = 293 K, p 0 = Pa Výpočet: 1. Charakteristika paliva

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory 2. Molový objem 3. Teoretické množství kyslíku molové 4. Teoretické množství kyslíku objemové

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory 5. Teoretické množství kyslíku hmotnostní 6. Teoretické množství vzduchu molové 7. Teoretické množství vzduchu objemové 8. Teoretické množství vzduchu hmotnostní

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Příklad: Určete teoretické množství vzduchu potřebné pro dokonalé spálení 1 kg paliva. Je dáno: Složení paliva: Hmotnostní podíl uhlíku C = 0,521, vodíku H = 0,131, kyslíku O = 0,348, síry S = 0 Zadané parametry vzduchu: T 0 = 293 K, p 0 = Pa Výpočet: 1. Charakteristika paliva

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory 2. Molový objem 3. Teoretické množství kyslíku molové 4. Teoretické množství kyslíku objemové

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory 5. Teoretické množství kyslíku hmotnostní 6. Teoretické množství vzduchu molové 7. Teoretické množství vzduchu objemové 8. Teoretické množství vzduchu hmotnostní

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Každý student vytvoří protokol s vlastním zadáním. Úkolem protokolu bude stanovení potřebného množství vzduch k dokonalému spálení 1 kg paliva. Jako palivo si každý student zvolí libovolný poměr automobilového benzínu (1. příklad) a bioetanolu (2. příklad.) Procentuální podíl jednotlivých chemických prvků vypočtete z podílu automobilového benzínu a bioetanolu. Zadání protokolu

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Příklad Stanovte průběh součinitel přebytku vzduchu v závislosti na otáčkách motoru. Stanovení proveďte pro hodnoty vnější otáčkové charakteristiky, viz. tabulka. Je dáno: Složení paliva: Zadané parametry vzduchu: T 0 = 293 K, p 0 = Pa Hmotnostní podíl uhlíku C = 0,86, vodíku H = 0,135, kyslíku O = 0,0045, síry S = 0,0005 Motor Zetor 8001:V M = 4,562 dm 3, n j = 2200 min -1 nmin PePe kW333944,549,353,757,4 m pe g/kWh oo -0,8450,850,840,8250,810,788

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Výpočet: V prvém kroku budeme muset určit teoretické množství vzduchu potřebného pro spálení 1 kg paliva. Protože jsme zvolili stejné parametry paliva jako v prvním případě, využijeme jeho výsledku. Použijeme následující vzorec: Vysvětlení vzorce: Tento výraz stanovuje maximální množství vzduchu, které by si motor teoreticky nasál. Vynásobením objemovou účinností dostaneme skutečné množství vzduchu co jde do motoru.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Tento výraz určuje spotřebu paliva. Vynásobením teoretickým množstvím vzduchu potřebného pro spálení 1 kg paliva získáme teoreticky potřebné množství vzduchu. Podíl výše uvedených hodnot určuje součinitel přebytku vzduchu. Příklad zpracování v programu Mathcad Nejdříve je nutné definovat počet kroků výpočtu. Potom musejí být předefinované zadané hodnoty.

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Předposledním krokem je definování vzorce Poslední je výsledek

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Výsledný graf

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Zadání protokolu Spalovací motory Každý student vypracuje protokol z předchozího cvičení. Studenti změní v zadání hodnoty výkonu motoru a to následovně: Studenti s pořadovým číslem do 10 si zvýší výkon motoru o procento odpovídající jejich pořadí. Studenti s pořadovým číslem nad 10 si sníží výkon motoru o procento odpovídající jejich pořadí sníženému o 10.