PRACOVNÍ CYKLY SPALOVACÍCH

MOTORŮ

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚFAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ - ENERGETICKÝ ÚSTAV

ODBOR TERMOMECHANIKY A TECHNIKY PROSTŘEDÍ

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 . . . 36

11. 10. 2010

doc. Ing. Josef ŠTETINA, Ph.D.

Seminář aplikované termomechaniky

Předmět 3. ročníku BS

http://ottp.fme.vutbr.cz/sat/

TYPY SPALOVACÍCH MOTORŮ

Čtyřdobý zážehový(benzínový) motor

Dvoudobý zážehový(benzínový) motor

Čtyřdobý vznětový(naftový) motor

Zážehový(benzínový) motor s rotačním pístem

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 . . . 36

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 . . . 36

Kontaktní Bezkontaktní

TYPY SPALOVACÍCH MOTORŮ

Podle způsobu zapálení pohonné směsi rozlišujeme:a) motory zážehové (palivo zažehne jiskra svíčky)b) motory vznětové (palivo se vznítí)

zážehové motory (benzínové) a) Dvoudobéb) Čtyřdobé vznětové (Dieselové)

Podle počtu dob v pracovním cyklu rozlišujeme:

Podle nasávaného vzduchu:a) Atmosferickéb) Přeplňované

HISTORIE1860 - 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 motor1883 - Gottlieb Daimler (1834-1900) staví první benzínový motor.1897 - Rudolf Diesel (1858 – 1913) vysokotlaký motor se samočinným zážehem1884 - 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.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 . . . 36

Nikolaus Otto

Rudolf Diesel

Gottlieb Daimler

Joseph Étienne Lenoir

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 DIAGRAMMOTOR ŠKODA 1.4 MPI

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 . . . 35

Převzato z Autoexpert 9/2009

HISTORICKÝ VÝVOJ

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 . . . 36

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 . . . 36

POROVNÁVACÍ DIAGRAM OBECNÉHO CYKLU

1

31 z k 1

3 k 2 1

pV V V TV V T p

4 4

3 3

p Tp T

5 5

4 4

V TV T

stupeň komprese (kompresní poměr)

stupeň izochorického zvýšení tlaku

stupeň izobarického zvětšení objemu

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 . . . 36

STŘEDNÍ TEORETICKÝ TLAK PRACOVNÍCH OBĚHŮ

0ts

z

Ap

V

0 ts ztA n p V n

P2 2

Výkon čtyřdobého motoru

Stará pravda:Objem ničím nenahradíš.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 . . . 36

PRACOVNÍ CYKLUS SPALOVACÍHO MOTORU

TRANSFORMACE ENERGIE

1 . . . 9 10 11 12 13 14 15 . . . 36

ZÁKLADNÍ POJMY

HÚ – horní úvrať, horní mrtvá poloha (TDC)DÚ – dolní úvrať, dolní mrtvá poloha (BDC)Vrtání – průměr válceZdvih – dráha mezi HÚ – DÚKomresní objem – objem nad pístem v HÚZdvihový objem – objem mezi HÚ do DÚObjem válce – Kompresní + zdvihový

1Objem obsazený vzduchem v DÚObjem obsazený vzduchem v HÚ

Kompresní poměr

1 . . . 9 10 11 12 13 14 15 . . . 36

OTTŮV CYKLUS – ZÁŽEHOVÉHO MOTORU

1 . . . 9 10 11 12 13 14 15 . . . 36

bod 1: p1, V1, T1

2 1p p 12V

V

12 1T T bod 2:

bod 3: 3 1p p 1

3V

V

13 1T T

bod 4: 4 1p p 4 1V V 4 1T T

4 1 4 1

3 2 3 2

m c T TQ T T1 1 1Q m c T T T T

vCvtz

Hv v

1

11tz

TERMICKÁ ÚČINNOST-OTTOVA CYKLU

1

2

VV

3

2

pp

1 . . . 9 10 11 12 13 14 15 . . . 36

15

VLIVY NA TERMICKOU ÚČINNOST OTTOVA CYKLU

1 . . . 9 10 11 12 13 14 15 . . . 36

SOUVISLOST KOMPRESNÍHO POMĚRU A MECHANICKÉ ÚČINNOSTI

1 . . . 10 11 12 13 14 15 16 . . . 36

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

DIESLŮV CYKLUS – ROVNOTLAKÝ CYKLUS

1 . . . 16 17 18 19 20 21 22 . . . 36

TERMICKÁ ÚČINNOST-DIESLOVA CYKLU

4 1C1

H 3 2

m c T TQ 1 11 1 1Q m c T T ( 1)

vt

p

1 z k

2 k

V V VV V

3

2

VV

kompresní poměr

stupeň izobarického zvětšení objemu

1 . . . 16 17 18 19 20 21 22 . . . 36

SABATŮV CYKLUS – VZNĚTOVÉHO MOTORU

1 . . . 16 17 18 19 20 21 22 . . . 36

bod 1: p1, V1, T1 bod 2: bod 3: bod 4: bod 5:

2 1p p 12V

V

12 1T T

3 1p p 13V

V

13 1T T

4 1p p 4 1V V

1

4 1T T

5 1p p 5 1V V

5 1T T

5 1

Hp 3 2 p 4 3

m c T TQ1 1Q Q m c T T m c T T

vCvt

Hv v

1

1 111 1t

TERMICKÁ ÚČINNOST-SABATOVA CYKLU

1

2

VV

3

2

pp

3

2

VV

1 . . . 16 17 18 19 20 21 22 . . . 36

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

CHARAKTERISTICKÉ PARAMETRY VZNĚTOVÝCH MOTORŮ

rokKompresní poměr [-]

Jmenovité otáčky [min-1]

Střední efektivní tlak [MPa]

Objemový výkon

[kW.dm-3]

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

CO

HO

Q1

QtO CS

HS

Q1

QtS

COQ CSQ

>

<

Účinnější Ottův cyklus

1 . . . 23 24 25 26 27 28 29 . . . 36

Porovnání při QHO=QHS A STEJNÝCH TLACÍCH pmaxO= pmaxS A pminO= pminS

CO

HO

Q1

QtO CS

HS

Q1

QtS <

COQ CSQ >

Účinnější Sabatův cyklus

1 . . . 23 24 25 26 27 28 29 . . . 36

STEJNÉ QHO=QHS A STUPNĚ KOMPRESE DLE PRAXE

CO

HO

Q1

QtO CS

HS

Q1

QtS <

COQ CSQ >

Účinnější Sabatův cyklus

1 . . . 23 24 25 26 27 28 29 . . . 36

POROVNÁNÍ QHO=QHS A STEJNÉ MAXIMÁLNÍ A MINIMÁLNÍ OBJEMY VmaxO=VmaxS A VminO=VminS

CO

HO

Q1

QtO CS

HS

Q1

QtS >

COQ CSQ <

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

POROVNÁNÍ ZÁŽEHOVÝCH A VZNĚTOVÝCH MOTORŮ

1 . . . 26 27 28 29 30 31 32 . . . 36

PALIVA

PARAMETR Benzín Nafta Vodík kapalný

měrná hmotnost kg.m-3 0,73 0,86 0,071bod varu oC 38 204 160

343-253

spodní výhřevnost MJ.kg-1 44,9 43,0 120spodní výhřevnost MJ.m-3 32700 36800 8520stechiometrický

poměrkg.kg-1 14,8 14.5 34.6

zápalná teplota oC 257 210 574rychlost hoření m.s-1 0.34 0.34 2.7

1 . . . 26 27 28 29 30 31 32 33 36

SOUČINITEL PŘEBYTKU VZDUCHU[ ]

(14,8) [ ]m přivedeného vzduchu kgteoretické m kg

1 . . . 26 27 28 29 30 31 32 33 36

INDIKACE MOTORŮ = MĚŘENÍ TLAKŮ VE VÁLCI

1 . . . 28 29 30 31 32 33 34 35 36

PŘÍKLADY DAT PRO ŠKODA 1.4 MPIMĚŘENÉ NA VUT FSI

1 . . . 28 29 30 31 32 33 34 35 36

SKUTEČNÝ EXPONENT POLYTROPY A T-S DIAGRAM

1 . . . 26 27 28 29 30 31 32 33 34

n – úhel otočení T - S