Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti 1. Spalovací motor jako zdroj energie. 2. Charakteristika automobilových paliv. 3. Pracovní.

Prezentace na téma: "Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti 1. Spalovací motor jako zdroj energie. 2. Charakteristika automobilových paliv. 3. Pracovní."— Transkript prezentace:

1 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti 1. Spalovací motor jako zdroj energie. 2. Charakteristika automobilových paliv. 3. Pracovní oběhy zážehových a vznětových motorů. 4. Tepelná bilance a účinnosti spalovacího motoru. 5. Kinematika a dynamika klikového ústrojí. 6. Základy konstrukce pístových spalovacích motorů. 7. Palivové soustavy zážehových motorů - nepřímé vstřikování. 8. Palivové soustavy zážehových motorů - přímé vstřikování. 9. Palivové soustavy vznětových motorů. 10. Ekologické aspekty provozu spalovacích motorů. 11. Charakteristiky, regulace a měření spalovacích motorů. 12. Zapalovací soustavy zážehových motorů. 13. Elektrické příslušenství spalovacích motorů. 14. Chladicí a mazací soustavy spalovacích motorů. Spalovací motory Ing. Jan Hromádko, Ph.D. Email: janhromadko@tf.czu.cz Témata přednášek

2 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Tepelná bilance motoru Tepelný rozbor pracovního oběhu pístového spalovacího motoru ukazuje, že z množství tepla, dodaného v palivu, se pro užitečný výkon využije jen určitá část. Přehled o rozdělení celého množství dodaného tepla podává tepelná bilance motoru. Tepelná bilance se dá vyjádřit základním vztahem Q p - teplo přivedené do oběhu palivem Q ns - teplo ztracené nespálením nebo nedokonalým spálením paliva Q ch - teplo odvedeni chlazením Q s - teplo odvedené sáláním Q v - teplo odvedené výfukem Q m - teplo představující mechanické ztráty Q e - teplo užitečné (efektivní), ekvivalentní užitečnému výkonu

3 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Tepelná bilance motoru schéma tepelná bilance spalovacího motoru tepelná bilance spalovacího motoru v závislosti na indikovaném výkonu

4 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Tepelná bilance motoru a pracovní režimy motoru Bilance zážehového motoru Bilance vznětového motoru

5 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Tepelná bilance motoru V následující tabulce jsou hraniční hodnoty tepelné bilance pro oba hlavní druhy pístových motorů. teploQ ns [%]Q ch [%]Q s [%]Q v [%]Q m [%]Q e [%] zážehový motor 0 - 10 12 - 30 0 - 5 30- 55 5 - 10 25 – 35 vznětový motor 15 - 3525 - 4530 - 45

6 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Účinnosti spalovacích motorů Za základní účinnosti pístového spalovacího motoru považujeme: chemickou účinnost spalování tepelnou (termickou) účinnost stupeň plnosti diagramu účinnost indikovanou účinnost mechanickou účinnost celkovou účinnost objemovou a plnicí

7 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Chemická účinnost spalování Chemická účinnost představuje stupeň dokonalosti spálení paliva přivedeného do motoru. Je definována jako poměr tepla přivedeného do oběhu k teplu, přivedeném v palivu. Teplo, přivedené do oběhu, můžeme vyjádřit jako rozdíl tepla přivedeného v palivu a tepelných ztrát, vzniklých nedokonalým spalováním: Q ps =Q p -Q ns. Chemickou účinnost pak můžeme vyjádřit

8 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Chemická účinnost spalování Hodnoty chemické účinnosti se stanoví na základě rozboru výfukových plynů, např. následujícím způsobem: Obecná tepla Q nahradíme teply uvolněnými spálením 1 kg paliva, tedy výhřevnostmi. H ns [J·kg -1 ] tepelné ztráty nedokonalým spálením 1 kg paliva H u [J·kg -1 ] spodní výhřevnost paliva Tepelné ztráty H ns určíme ze vztahu: kde: H p [J·kg -1 ] je skutečné množství teple přivedené do oběhu po spálení 1 kg paliva

9 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Chemická účinnost spalování Spodní výhřevnost paliva je dána Mendělejevovým vztahem kde: m c, m h, m o, m s, m v, [kg·kg -1 ] jsou hmotnostní množství uhlíku, vodíku, kyslíku, síry a vody v 1 kg Za předpokladu, že u zážehového motoru se nedokonalost spalování projeví pouze tím, že se část uhlíku z paliva spálí nedokonale na CO a část dokonale na CO 2 můžeme množství tepla H p vyjádřit kde: m x [kg·kg -1 ] hmotnostní podíl uhlíku spáleného na CO m y [kg·kg -1 ] hmotnostní podíl uhlíku spáleného dokonale na CO 2

10 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Chemická účinnost spalování Z uvedeného vyplývá, že platí: Tepelné ztráty jsou potom Nahradíme-li hmotnostní podíly m x a m y procentickými podíly x a y, pak: Po této úpravě bude H ns :

11 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Chemická účinnost spalování Výsledná chemická účinnost spalování bude u benzínového motoru a u vznětového motoru budeme-li předpokládat že nevznikne CO, ale pouze saze tedy pevný uhlík

12 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Chemická účinnost spalování Graf vlevo ukazuje závislost chemické účinnosti na procentických podílech y a x nebo z (čára červená — motor benzínový, čára modrá — naftový) Vpravo je skutečný průběh chemické účinnosti u motoru Z-8001

13 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Tepelná účinnost Tepelná (termická) účinnost je poměr tepla spotřebovaného na práci teoretického oběhu k teplu přivedenému do oběhu.

14 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Tepelná účinnost konečný výraz pro tepelnou účinnost obecného oběhu podle obr. je Ze vztahu můžeme určit závislosti tepelné účinnosti pro další typy oběhů: U oběhu smíšeného je mezi jednotlivými součiniteli platí vztahy: pak výsledný vztah je

15 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Tepelná účinnost Pro rovnotlaký oběh platí, že výsledný vztah je pak Pro oběh s izochorickým spalováním platí, že výsledný vztah je pak

16 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Tepelná účinnost Oběhy a prodlouženou expanzí, podle nichž pracují motory přeplňované turbodmychadly, mají konečné výrazy pro tepelnou účinnost: Smíšený oběh Oběh s izochorickým spalováním

17 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Tepelná účinnost Z matematického rozboru uvedených vztahů můžeme usoudit, že tepelná účinnost: roste s rostoucím stupněm komprese obr. vlevo roste se zvětšujícím se stupněm izochorického spalování roste s rostoucím poměrem měrných tepel obr. vpravo klesá s rostoucím stupněm izobarického spalování

18 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Tepelná účinnost Za předpokladu stejného stupně komprese by ze všech oběhů pro nepřeplňované motory měl nejvyšší tepelnou účinnost oběh s izochorickým spalováním. Ve skutečnosti však nají vznětové motory, pracující podle smíšeného pracovního oběhu, zhruba dvojnásobnou hodnotu kompresního poměru proti zážehovým motorům, proto je tepelná účinnost vznětových motorů vyšší.

19 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Stupeň plnosti diagramu Stupeň plnosti diagramu  p je vyjádřen poměrem tepla spotřebovaného na indikovanou práci Q i k teplu spotřebovanému na práci teoretického oběhu Q t.  p představuje poměr ploch skutečného indikátorového diagramu a p-V diagramu oběhu teoretického. Odchylky obou diagramů se projevují hlavně v oblasti hoření a při výměně náplně válce. Hodnota stupně plnosti diagramu bývá 0,9 - 0,97, v některých případech nižší. Vyšší hodnoty jsou u motorů naftových, nižší u benzínových.

20 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Indikovaná účinnost Indikovaná účinnost představuje součin uvedených účinností, t.j. chemické účinnosti spalování, tepelné účinnosti a stupně plnosti diagramu. Vyjádřením pomocí příslušných tepel můžeme tuto účinnost definovat jako poměr tepla spotřebovaného na indikovanou práci Q i k teplu přivedeném v palivu Q p

21 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Indikovaná účinnost Vztah pro  i lze napsat i formou: kde: P i [W] je indikovaný výkon motoru M p [kg·s -1 ] je hmotnostní časová spotřeba paliva m pi [kg·J -1 ], častěji [g·kWh -1 ] je měrná indikovaná hmotnostní spotřeba paliva H u [J·kg -1 ] je výhřevnost paliva (spodní) nahradíme-li P i pak indikovanou účinnost lze vyjádřit

22 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Mechanická účinnost Hodnotu mechanické účinnosti  m udává poměr užitečného a indikovaného výkonu motoru nebo analogicky k předchozímu poměr příslušných tepel Vyjádříme-li užitečný výkon jako rozdíl výkonu indikovaného P i a ztrátového P z ‚ můžeme pro  m napsat vztah Nebo obdobně

23 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Mechanická účinnost Ztrátový výkon je výkon potřebný k přemáhání pasivních odporů motoru. Jeho hodnota se pohybuje mezi 10 - 30 % P i. Zahrnuje ztráty vzniklé třecími odpory, prací k pohonu pomocných mechanizmů jako např. rozvodové ústrojí, čerpadel palivové, mazací a chladicí soustavy apod., ventilačními ztrátami v klikové skříni a prací potřebnou k výměně náplně válce. Jak ukazují obr. na další prezentaci, klesá mechanická účinnost s otáčkami motoru, klesá i s rostoucím stupněm komprese, hlavně v jeho vyšších hodnotách. Při konstantních otáčkách se však zvětšuje s rostoucím výkonem motoru, protože odpory rostou se zatížením motoru pomaleji než výkon.

24 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Mechanická účinnost Závislost na otáčkách Závislost na kompresním poměru Závislost na výkonu

25 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Celková účinnost Celková (užitečná, efektivní) účinnost zahrnuje veškeré tepelné ztráty v motoru lze ji určit jako součin účinnosti indikované a mechanické. což je také součin vyjádřeno příslušnými teply Celková účinnost představuje poměr tepla spotřebovaného na užitečnou práci k teplu přivedeném v palivu. Proto se někdy pro tuto účinnost užívá výraz stupeň (součinitel) využití tepla.

26 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Celková účinnost Celkovou účinnost můžeme vyjádřit podobně jako indikovanou m pe [kg·J -1 ], častěji [g·kWh -1 ] je měrná efektivní hmotnostní spotřeba paliva

27 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Objemová a plnící účinnost Z ostatních účinností motoru, které nejsou přímo zahrnuty v účinnosti celkové, je nejdůležitější účinnost objemová resp. účinnost plnicí (nasávací). Objemová účinnost vyjadřuje skutečnost, že skutečně nasáté objemové množství vzduchu, nebo směsi se liší od množství, které by bylo možno teoreticky nasát, a které je tedy představováno zdvihovým objemem válce V z viz obr.

28 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Objemová a plnící účinnost je definovaná jako nebo Objemovou účinnost určujeme měřením V s, které můžeme také vyjádřit pomocí dalších parametrů motoru, např: a vyjádříme-li V t kde k je pro dvoudobý motor 1 a pro čtyřdobý 0,5 pak objemová účinnost je Nahradíme-li pak

29 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Objemová a plnící účinnost Jiný způsob stanovení  o je z rovnice tepelné rovnováhy na konci sání je-li součet množství pak se jednotlivá tepla dají vyjádřit: Jestliže nahradíme jednotlivé množství výrazy ze stavových rovnic a předpokládáme-li zjednodušeně, že c 1 = c 0 dostaneme Rozbor posledního vztahu naznačuje, že objemová účinnost roste s růstem tlaku při sání p 1 a klesá s rostoucím oteplením  T v sacím traktu, tak i s růstem součinitele zbytků spalin  zb a s růstem stupně komprese .

30 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Objemová a plnící účinnost Samostatná objemová účinnost není směrodatnou hodnotou. Výkon motoru je závislý na hmotnostním množství paliva spáleném ve válci a toto množství je závislé na hmotnostním obsahu kyslíku v nasávaném vzduchu. Je tedy důležitější a přesnější stanovit tzv. plnící účinnost  s jako poměr skutečného hmotnostního množství čerstvé náplně M e k teoretickému množství M t. nebo s použitím měrných hmotností

31 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Objemová a plnící účinnost Plnící účinnost lze u vznětového motoru, kde se plní válec jen vzduchem, vyjádřit i dalším způsobem. kde korekce na okolní teplotu korekce na barometrický tlak korekce na relativní vlhkost

32 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Objemová a plnící účinnost Hodnoty objemové nebo plnící účinnosti se u nepřeplňovaných čtyřdobých zážehových motorů pohybují v mezích 0,75 - 0,85, u čtyřdobých vznětových 0,8 – 0,9. U přeplňovaných motorů jsou hodnoty účinnosti větší než jedna. Obr. (následující stránka) znázorňuje obecnou závislost objemové nebo plnící účinnosti na otáčkách motoru. S rostoucími otáčkami účinnost od určitého optima (bod1) klesá vlivem zvyšování odporů při proudění. Klesá však od optima i s klesajícími otáčkami. V tomto případě způsobuje pokles účinnosti vliv časování ventilů, jejich úhel překrytí, konstrukce rozvodového mechanizmu atd.

33 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Objemová a plnící účinnost

34 Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Spalovací motory Objemová a plnící účinnost Grafy popisují závislost objemové účinnosti motoru  o [%] na otáčkách a točivém momentu motoru. Účinnost motoru klesá nejen s otáčkami motoru, jak se všeobecně uvádí, ale i s točivým momentem. Naměřená objemová účinnost motoru Zetor 7701