Letalski motorji

Letalski motorji
Univerza v Ljubljani
Fakulteta za strojništvo
Laboratorij za toplotne
batne stroje
Razvrstitev motorjev
2
Razvrstitev motorjev z notranjim zgorevanjem
Batni Motorji z
Notranjim
Zgorevanjem
- BMNZ
www.porsche.com
www3.mercedes-benz.com
Turbinski Motorji
z Notranjim
Zgorevanjem
- TMNZ
3
www.adl.gatech.edu
Procesni kanal TMNZ
http://www.adl.gatech.edu
4
http://www.adl.gatech.edu
Razvrstitev TMNZ
Enotokovni potisni
Dvotokovni propelerski
Dvotokovni ventilatorski
Enotokovni potisni z dodatnim
zgorevanjem
5
http://www.adl.gatech.edu
Potisna cev in raketni motor
http://www.adl.gatech.edu
http://www.adl.gatech.edu
6
www.vectorsite.net/tarokt_1.html
Razvrstitev batnih motorjev z ozirom na tok
delovnega medija, gibanje bata in taktnost
BATNI MOTORJI
Z NOTRANJIM ZGOREVANJEM
Z ROTIRAJOČIM
BATOM
Z ZUNANJIM ZGOREVANJEM
S PREMOČRTNO
GIBAJOČIM SE BATOM
2-TAKTNI
4-TAKTNI
7
Batni motorji z zunanjim zgorevanjem –
Stirlingov cikel
2
1
3
4
8
http://electron9.phys.utk.edu/phys136d/modules/m3/m3ex1.htm
Razvrstitev BMNZ: Wanklov motor z
rotirajočim batom
http://image.motortrend.com/f/auto-review/2008mazda-rx-8-happy-40th-anniversary-wankeltwin/6966031+w750/wankel-engine-cutaway.jpg
9
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/1e/Wankel_Cycle.svg/594px-Wankel_Cycle.svg.png
Razvrstitev BMNZ: taktnost delovnega cikla
10
http://cache.eb.com/eb/image?id=93572&rendTypeId=34
Razvrstitev BMNZ: taktnost delovnega cikla
11
http://www.roymech.co.uk/images15/Thermo_22_Two_stroke.gif
Shema Ottovega motorja
12
Vir: Motorno vozilo, 2004
Meje vnetljivosti homogene zmesi
Temperatura
Področje vnetljivosti za
zmes goriva in zraka
Področje vnetljivosti za
zmes goriva in kisika
Samo
gorivo
=0
Samo zrak ali kisik
13
=1
=
Količinska regulacija zmesi
mzmesi
n = const
=1
zrak
Pmeh. izgube
0
P
14
Razvrstitev MNZ: “Bencinski” motor
www.brisksparkplugs.com.au/
technical/index.shtml
www.motorcycle.com/mo/mcrob/fuel2b.gif
15
Vbrizgavanje goriva: notranja priprava zmesi
Neposredno v zgorevalno komoro
V predkomoro
Handbuch Dieselmotoren, 2. Auflage, 2002
16
Internal Combustion Engine Fundamentals, J. B. Heywood
Razvrstitev MNZ: “Dizelski” motor
17
Kakovostna regulacija zmesi
mzmesi
n = const
>1
zrak
=∞
Pmeh. izgube
  8 - 20
0
  1.5 - 2
Pe
18
Dizelsko zgorevanje

mair
Lst m f
 Diesel  1
19
Blair, Design and simulation of two-stroke engines, 1996
Razvrstitev BMNZ z ozirom na kakovost in
vžig zmesi
Homogena
Zmes
Nehomogena
Vžig
“Bencinski”
(Ottov cikel)
Slojevito zgorevanje
(Stratified combustion)
Prisilni
(zunanji vir)
HCCI
Samovžig
(Homogeneous
Charge
Compression
Ignition)
“Dizelski”
(Dieselov
cikel)
20
www_greencarcongress_com-images
Razvrstitev MNZ: Slojevito zgorevanje
21
VW: Service Training, Selbststudienprogramm 322
Razvrstitev MNZ: Slojevito zgorevanje
22
VW: Service Training
Razvrstitev MNZ: Slojevito zgorevanje
23
Srednji efektivni tlak [bar]
Razvrstitev MNZ: Slojevito zgorevanje
Homogena
Homogena z EGR
Homogena revna zmes
Slojevita
revna zmes
z EGR
Vrtilna hitrost [1/min]
24
VW: Service Training, Selbststudienprogramm 322
25
Razvrstitev MNZ: HCCI
26
http://www.naftc.wvu.edu/NAFTC%20eNews/November%2005/images/HCCI%20Diagram.jpg
27
Razvrstitev MNZ: HCCI
28
www_nissan-global_com-EN-TECHNOLOGY-INTRODUCTION-DETAILS-3D-SIM-IMAGES-captionWithImageB01_pic_02_gif.mht
Razvrstitev MNZ: HCCI
http://www.greencarcongress.com/2008/05/gm-continues-to.html
http://vhosseini.googlepages.com/n-HeptaneHCCIoperatingwindow-JASME.jpg
29
Razvrstitev BMNZ: Značilnosti
“Bencinski”
motor (SI)
Kakovost zmesi homogena
“Dizelski”
motor (CI)
nehomogena
Slojevito
zgorevanje
nehomogena
HCCI
homogena
Priprava zmesi
pred valjem
(v valju)
v valju
v valju
Vžig zmesi
zunanji vir
samovžig
zunanji vir
samovžig
Regulacija moči
količinska
kakovostna
kakovostna*
kakovostna*
Gospodarnost
-
+
0
+ (0 - CR)
Emisije NOx
-
-
-/0
+
Emisije PM
+
-
+
+
Proizvodna cena
+
-
0
pred valjem
ali/in v valju
30
ni v
proizvodnji
Razvrstitev BMNZ: Namen uporabe
2T
4T
SI
CI
•Avtomobili
•Motorna kolesa
•Manjši čolni
•Manjša letala
•Avtomobili
•Kamioni
•Javni prevoz
•Industrijska vozila
•Stacionarni motorji
•Čolni in ladje
•Lokomotive
•Kolesa z motorjem
•Delovni pripomočki
•Modelarstvo
naraščajoča
velikost
•Velike ladje
•Veliki stacionarni motorji
•Lokomotive
31
Majhen in velik 2T BMNZ
www.rc-airplane-world.com/nitro-car-engine.html
www.manbw.com/category_000297.html
32
Dinamika bata
33
Postavitev valjev
Vrstni motor
“V” postavitev valjev
Z ležečimi valji - “Bokser” motor
34
Postavitev valjev
Joint Aviation Authorities Airline Transportation
Pilot’s License. Aircraft General Knowledge 3 /
Powerplant: Theoretical Knowledge Manual.
35
Ročična gred
Joint Aviation Authorities Airline Transportation
Pilot’s License. Aircraft General Knowledge 3 /
Powerplant: Theoretical Knowledge Manual.
36
Osnovne veličine ročičnega mehanizma
D
s = 2r
r
D
TDC
Vc
x
hod bata
radij ročične gredi
premer valja
= 1 ... 300 cm
= 1 ... 100 cm
Vmax
s=2r
Vg
BDC
l
TDC – Top Dead Center (zgornja mrtva točka)
BDC – Bottom Dead Center (spodnja mrtva točka)
Delovna prostornina:
D 2
Vg 
s
4
Kompresijska prostornina:
Vc
Največja prostornina:
Vmax = Vg + Vc

r
2r
D 2
x 
Trenutna prostornina v valju: V    Vc 
4
37
Mejni položaji bata
Joint Aviation Authorities Airline Transportation
Pilot’s License. Aircraft General Knowledge 3 /
Powerplant: Theoretical Knowledge Manual.
38
Definicija kompresijskega razmerja
Joint Aviation Authorities Airline Transportation
Pilot’s License. Aircraft General Knowledge 3 /
Powerplant: Theoretical Knowledge Manual.
39
BMNZ: Geometrijski parametri
Geometrijska stopnja kompresije:  
Vmax Vc  Vs

Vmin
Vc
Stopnje kompresije:
SI:
2T
4T - 2 ventila
4T - 4 ventili
4T - direktno vbrizgavanje (DI)
CI:
2T, počasitekoči (n<300 1/min)
4T, DI, srednje- (300 rpm<n<1500 1/min)
in hitrotekoči (n<1500 1/min)
4T, vbrizgavanje v predkomoro (IDI),
hitrotekoči (n>1500 1/min)
Srednja hitrost bata: cS  2 s  4r
 = 6.5 ... 10
 = 8 ... 10
 = 9 ... 11
 = 11 ... 14
s/d = 0.6 ... 1
s/d = 0.9 ... 1
s/d = 0.6 ... 1
s/d = 0.9 ... 1.1
 = 12 ... 15
s/d = 1.5 ... 4
 = 15 ... 21
s/d = 1 ... 1.4
 = 20 ... 25
s/d = 1 ... 1.2
cS = 6 ... 30 m/s
40
Kinematika ročičnega mehanizma
xA
r

l
  1
41
Sprememba položaja bata
42
Joint Aviation Authorities Airline Transportation
Pilot’s License. Aircraft General Knowledge 3 /
Powerplant: Theoretical Knowledge Manual.
43
Sprememba termodinamskih parametrov v valju
44
Prostornina v valju,
dvig ventilov in
ustrezne pretočne
površine
45
Sprememba termodinamskih parametrov v valju
46
p-V diagram
47
Pretvorba energije med zgorevanjem
Delo predano batu
Notranja energija
delovnega medija
Energija
nezgorelega
goriva
Toplota predana steni
Zasuk ročične gredi
dU  d Q  d W  d Q  pd V
48
Energijski tok v MNZ
49
Heywood, JB, Internal Combustion Engine Fundamentals
Izkoristek in delovna sposobnost
50
Izkoristek in specifična poraba
Izkoristek:

W
Qdovedena
Qdovedena  Qodvedena
W


Qdovedena
mgoriva H k
W   p dV
Specifična poraba:
b
mgoriva
W
1

H k
51
p-V diagram
52
Delovna sposobnost
Srednji efektivni tlak:
peff
N stW N st  pdV


Vg
Vg
N st  2
... 4T
N st  1 ... 2T
53
Delovna sposobnost
Joint Aviation Authorities Airline Transportation
Pilot’s License. Aircraft General Knowledge 3 /
Powerplant: Theoretical Knowledge Manual.
54
Značilne veličine
Srednji efektivni
tlak (bar)
specifična poraba
goriva (g/(kWh))
SI:
majhen 2T
sesalni 4T
tlačno polnjeni 4T
~5
~12
~20
~400-500
~280-350
~260-350
sesalni 4T
tlačno polnjeni 4T
počasitekoči 2T
~8
~15-30
~15-20
~250-300
~190-280
~150-180
CI:
55
Teoretični delovni cikli
56
p-V diagram realnih in teoretičnih 4T in 2T ciklov
57
Štoss, Spalovaci motory
Teoretični delovni cikli
Teoretični delovni cikli so poenostavljeni modeli realnih ciklov, ki potekajo v
napravah, namenjenih pretvorbi toplotne energije v mehansko delo.
Teoretični cikli ne popišejo natančno sprememb termodinamskih veličin
delovne snovi. Kljub temu so uporabno orodje za analizo trendov realnega
cikla, nikakor pa ne smemo preceniti njihove natančnosti in
napovedovalnosti.
Pri analizi teoretičnih ciklov uvedeno naslednje poenostavitve:
• Proces v motorju popišemo z zaprtim termodinamskim procesom, kar
pomeni, da se ne spremeni količina in kemijska sestava delovnega medija.
• Proces zgorevanja zamenjamo z dovodom toplote iz okolice.
• Proces izmenjave delovnega medija z odvodom toplote v okolico.
• Procesa kompresije in ekspanzije sta adiabatna – ni izmenjave toplote z
okolico.
• Kemijska sestava delovnega medija se ne spreminja, zato je eksponent
adiabate enak v procesu kompresije in ekspanzije.
58
Teoretični cikli
59
Pavletič R.: Motorji z notranjim zgorevanjem
Adiabatna temperatura zgorevanja
60
Heywood, JB, Internal Combustion Engine Fundamentals
Meje ciklov
pmin
(bar)
pmax
(bar)
Tmin
(K)
Tmax
(K)
Batni SI
~0.2-2
~60-80
~300-350
~3000
Batni CI
~1-5
~120-200
~300-400
~3000
Turbinski
~0.1-1
~25-60
~200-300
~1800
61
Primer cikla BMNZ in TMNZ
62
Pavletič R.: Motorji z notranjim zgorevanjem
Vpliv kompr. razmerja na izkoristek Otto cikla
1
kappa=1.2
kappa=1.29
kappa=1.4
kappa=1.66
0.9
0.8
0.7

0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
5
10
15

20
25
30
63
p-V diagram Carnotovega procesa
Pavletič R.: Motorji z notranjim zgorevanjem
Handbuch Dieselmotoren, 2. Auflage, 2002
64