- werkelijk p.v diagram wijkt af van theoretische vergelijkingskringloop

Transcriptie

1 2. WERKELIJKE KRINGLOOP - werkelijk p.v diagram wijkt af van theoretische vergelijkingskringloop - spoellus: onderstellen stationaire stroming, onsamendrukbaar fluïdum vanuit punt A (atmosfeer) tot punt C (cilinder) 2 2 ca cc pa +ρ A +ρ AghA = pc +ρ C +ρ CghC +Δp l c k ρ 2 bij aanzuigen p C < p A p C p A bi j open gasklep en n < p C << p A bi j gesloten gasklep en n > (ottomotor) (gelijkaardige redenering voor uitlaat!) p C > p A - in cilinder op elk ogenblik padx = dw of dw i = pdv F i en W = pdv en i W = p V i i S werk. kringloop slide1.

2 2.1. COMPRESSIE, VERBRANDING, EXPANSIE - bij IS : mengsel verse lading en restgas 70 à 180 C en 0,2 à 1 bar bij zelfaanzuiging otto zelfaanzuiging diesel 1 bar opgeladen motoren 1,5 à max 4 bar (1,5 PW ; 4 scheepsdiesels) - vanaf IS compressie volgens polytrope transf pv m = C te m m voor nabijgelegen punten 1 en 2 pv = pv = logp logp 1 2 m logv logv 2 1 verloop zie figuur 1) verandering van 6 over de cyclus c p -c V = R R 6c V - c V = R κ = 1 + c c p = 6c V c V - met T - c V groter voor 3-atomige gassen dan voor 2- atomige dus c V met 8 (voor 8 > 1) dus 6 met T 6 als omzetting naar 3-atomige gassen (CO 2, H 2 O, verbranding) V werk. kringloop slide2.

3 2) herhaling enkele basisformules thermodynamica dq = du + dw met dq > 0 als warmte naar gas dw > 0 als arbeid afgegeven dw = pdv-dr afgegeven arbeid = expansiearbeid - irreversibele inwendige wrijvingsverliezen inwendige irreversibele wrijvingsverliezen als warmte aan het gas toegevoerd waardoor entropie toeneemt TdS = dq + dr Vorige formules dan : dq = du + pdv-dr dq + dr = du + pdv TdS = du + pdv werk. kringloop slide3.

4 3) verloop polytropen exponent m verwaarlozen dr dan : dq = du + pdv met: dq = du + pdv (voor 1 kg) du = c V dt dq pv = RT pv m = C te c p c v = R c p /c v = 6 κ m = dw met dq > 0 als warmte toegevoegd κ 1 dw > 0 als arbeid afgegeven dq = dq verbrand dq wand! 4) enkele getalwaarden van 1 2 gemid. m comp. (vóór verbranding) 1,35 à 1,37 van 3 4 gemid. m exp (na verbranding) 1,2 à 1,22 werk. kringloop slide4.

5 dq κ m = dw κ 1 5) karakteristieke punten : m = 6 als gemiddeld geen warmtewisseling ontsteking vóór het punt M (M is minimum van m) bij ontsteking (vóór M) dq verbr > 0 (voorheen 0) nog veel warmte naar wand dq wand < 0 naargelang dq verbr gaat m door minim en dan m kan theoretisch = 1 zelfs < 1 dus als dq = dw (met dw < 0 wegens compressie en met dq = dq verbr + dq wand ; waarbij dq wand daar < 0) - dit kan vóór ontsteking als dw = dq wand ; bij trage compressie (bij BDP en voor n <) en intense koeling - met nog tragere beweging en intensere koeling kan m < 1 bij snellopende motoren m niet zo laag punt A: er komt zoveel warmte vrij als er afgevoerd wordt langs de wanden A B : ongecontroleerde verbranding (alleen diesel) N :m = 0 (uit mpdv+vdp = 0, met m = 0 vdp = 0) p max T : m = 1 (uit 1.pdv + vdp = 0 RdT = 0) T max F : evenveel warmte afgevoerd als vrijgesteld m = 6 dq = 0 werk. kringloop slide5.

6 V + V 1 η met ε ε= η = 1 (isochoor) ε c S V V κ 1 Vc ottokringloop ε # 11 wegens klopgevaar dieselkringloop ε van ca 11,5 22 ε ; ηv ; p max - ε van PW ca wegens : goede koude start geen harde werking (zodat n max kan ) - ηv neemt nog weinig toe vanaf ε = p max veel wrijvingsverliezen η optimaal ε 16 e - ε grote opgeladen diesels 11,5 à 12 p opl tot 4 bar en p max beperkt ε niet te groot! werk. kringloop slide6.

7 Bespreking afwijkingen tussen werkelijke en theoretische kringloop ε Vc + Vs 1) leveringsgraad = ε 1 Vs mc Def λ l = VS ρr - wegens restgassen - ladingsverliezen (p ) en opwarmen verse lading T ρ 2) lekken : blow by gassen vermogenverlies; te verwaarlozen voor motor in goede staat en n >> bij n << zal blow by debiet segmenten moeten voor afdichting zorgen 3) slechte menging, afbreken verbrandingsreacties, te trage verbranding (oorzaken accidentele slechte verbranding) bij vollast, regimetoestand en 8 - normale waarden te verwaarlozen wel : 8 < 1 dissociatie (energieverlies) 8 >> 1 bij otto-cyclus te trage verbranding 4) niet ideaal verbrandingsverloop beste rendement bij isochore verbranding (als p max niet beperkt) maar : zuiger niet stil in BDP verbranding niet snel isochore te benaderen door meer voorontsteking meestal optimale V.O. niet te bereiken wegens klopgevaar bij diesel p max wel beperkt niet de bedoeling isochore verbranding beste verbranding met p # p max (mixte verbranding) door aanpassing : injectiebegin (-V.O.) injectieverloop werk. kringloop slide7.

8 5) warmteafvoer langs wanden (koeling) - vele formules voorgesteld vb Eichelberg : Q= α( Tm Tw) F kj/h (" voor convectie + straling) - tijdens compressie (vóór ontsteking): dqw = 0 eerst dq w > 0 later dq w < 0 - tijdens verbranding )Q w 7 % Q verbr - tijdens expansie )Q w 7 % Q verbr - tijdens uitlaatslag )Q w 15 % Q verbr )Q w 30 % Q verbr - als motor zonder koeling - speciale mat. (keramisch) adiabatic engine - speciale olie (synthetisch) dan η slechts 4 à 6 % toenemen. Daarbij : - recuperatie van vermogen waterpomp + ventilator - recuperatie energie met uitlaatgasturbine 6) uitlaatverliezen werk. kringloop slide8.

9 2.2. LADINGSWISSELING ladingswisseling viertaktmotoren einde expansieslag : UO p cil : 3 à 7 bar T cil : 500 à 1100 C 1. blow down : - drukopbouw in a (eerste kleine heffing dus trage drukdaling in cilinder) - drukgolfvoortplanting ; drukverloop in b op 65 cm - druktrillingen : pt a ; na US ; p stijgt door drukgolf reflectie 2. uitdrijven door zuiger p cil > p atm - als US te vroeg abnormaal - als US laat (nasluiting) door inertie p cil (BDP) < p atm 3. V c gevuld met restgassen in BDP 4. IO vóór BDP om voldoende heffing op ogenblik aanzuiging begint 5. bij aanzuigen p cil < p atm en T cil > T atm verse lading met ρ <ρ 6. bij IS onvolledige vulling wegens : - restgassen - p cil < p atm - T cil > T atm beoordeling van de goede vulling d.m.v. λ l (leveringsgraad) ref werk. kringloop slide9.

10 Belang van cilindervulling of leveringsgraad mc Leveringsgraad λ l = ρ rvs met ρ r bij 20 C 1013 mbar mc n 1 Pi = Hu i η i λl 60 2 voor viertaktdiesels S m n 1 = 1 L 60 2 c Pi Hu i +λ S η i voor viertakt ottomotoren of i H u Pi =λl ρr VS ηi 2 λ L S 60 n of n i H =λ ρ η P ( u i l r VS i 2 1 +λ L S ) 60 vermogenregeling bij ottomotoren : wijzigen λ l bij dieselmotoren : wijzigen λ bespreking λ l in nota s hoofdzakelijk betrekking op vollast, i.v.m. geleverd vermogen werk. kringloop slide10.

11 Leveringsgraad bij reële ladingswisseling λ l bepaald door volume en densiteit van verse lading bij IS : 1) volume verse lading : (bij IS) bepaald door volume restgassen bij IS - als US in BDP vol. restgassen = f(v c, p BDP ) (geen temp invloed) p gassen,bdp = f(p uitl.leid, )p klep ) geometrie, n² p uit.leid (juist achter klep) = f(p atm, )p leid, drukgolven) )p leid = f(n², i, geometrie) drukgolven = f(us, UO, n, T gas, ) - US na BDP NASLUITING supplementaire lediging (bij US zal p << als n >) heraanzuigen restgassen (als n <) werk. kringloop slide11.

12 2) densiteit verse lading : (bij IS) a) temperatuur : = f(t atm, )T wanden, )T verd.warmte) -)T door menging geen invloed op λl - )T wanden : (+HOT-SPOT bij carburatormotoren) - )T verd.warmte : benzinemotoren b) druk - als IS sluit in ODP geometrie, n² = f(p vóór inl. klep, )p over inl. klep ) - p vóór inl. klep = f(p atm, oplading, )p leid, drukgolven) - )p leid = f(.) - drukgolven = f(.) - als IS sluit na ODP NASLUITING supplementaire vulling (n >) terug uitdrijven verse lading (n <) werk. kringloop slide12.

13 Ladingsverliezen - )p leid ; )p kleppen ; geometrie, insnoeringen, bochten, n² (luchtfilter etc.) - d inl > d uitl bij zelfaanzuigende motoren geeft betere λl - 4 kleppen (soms 5) : )p << snellere heffing (vol. rend ) Drukgolven : Tunen - max drukgolf komt aan inlaat als IS - min drukgolf komt aan uitlaat als US gemakk. kapvorm verbr. kamer bolvorm werk. kringloop slide13.

14 Ladingswisseling tweetaktmotoren - tweetaktmotoren met krukkastspoeling - voordelen dit soort tweetakters groter vermogen voor zelfde afmetingen eenvoudiger constructie; minder bewegende delen gebruikt bij kleine benzinemotoren waar verbruik en pollutie minder belangrijk; brommers, buiten boord ook machines die in standen werken (boomzagen) minder smeringproblemen auto s niet meer laatste Wartburg, Trabant brommer lange berg af gevaar voor smering spoelsystemen lusspoeling: dwarsspoeling omkeerspoeling langsspoeling : werk. kringloop slide14.

15 spoelpompen carterspoeling : carter moet zo klein mogelijk zijn (zelfs deuken in wand, om vol. ) Rootscompressor : het spoelproces : 2 ρc 1) vooruitlaat : Blow down pcil + = 2 p cil kan < p uitlaatcollector : ATKINSON effect p coll 2) spoeling : 3) na-uitstroming : soms bijlading weinig of niet bij langsspoeling tunen van tweetakt gemakkelijkst (of alleen) in uitlaatsysteem onderdrukgolf aan uitlaat bij UO en/of overdrukgolf aan uitlaat bij US tunen alleen gunstig effect bij bepaalde toerentallen en belastingen werk. kringloop slide15.

16 Ladingswisseling tweetaktmotoren beoordeling effectiviteit van de spoeling m c = massa verse lading in cilinder m s = massa verse lading die in V S kan op ref vw VS ρ r m t = totale massa geleverd door de spoelpomp mc - leveringsgraad λ l = (idem als voor 4-takt) ms mt - luchtverbruik λ a = ms mc - spoelrendement η S = mt 1. kortsluitspoeling : λl = 0 slechte dwarsspoeling 2. verdringingsspoeling : λ l =λ a ideale langsspoeling - zuiger stil in ODP 3. verdunningsspoeling : ond. - volledige menging - c p,gassen = c p verse lading - gassen en verse lading op p ref, T ref op ogenblik t een volume v c (t) in cilinder; elementair volume dv t (t) binnen gepompt en zelfde volume dv t (t) mengsel (verse lading + restgassen) uit vc ( t) daarin fractie verse lading = t () Vc + V dv t S toename volume verse lading in cilinder : vc () t dvc() t = dvt() t dvt V + V na integratie : of ε 1V ε V cil S = 1 e Vt ε 1 VS ε ε 1 ε λa ε λ l = 1 e ε 1 omkeerspoeling c S werk. kringloop slide16.