کاربرد ترمودینامیک در موتور - iust · 2018. 11. 12. · ﻩﺪﻧﺎﻣ...

کاربرد گرماپويايی در موتور

فهرست مطالب

کليات و يادآوری١.

چرخه های نظری٢.

تقريبهای محاسباتی٣.

چرخه های واقعی۴.

راه حلهای بهبود بازده۵.

کليات - ١

1 2

3

4

56

V1 V2 V

p

I

نقطۀ مکث بالا نقطۀ مکث پايين

Sabathéچرخۀ سبته

I نقطۀ نظری خاصنقطۀ فرضی محاسباتی 6

احتراق 4→3

يادآوری

Clapeyron :p-Vمحورهای نمودار کلپرون •δW=-pdV: کار جزئی دريافتی سيال • W= -∫pdV: 2→1کار دريافتی در فرآيند بازگشت پذير •

p

V

p

V

p

V

- +

1

2

W<0چرخۀ محرک W>0چرخۀ مقاوم

We= -Wمحيط خارج دريافتیِ کار

اصل اول گرماپويايی

12121221)( PotPotCinCinUUQW −+−+−=+ →

و سامانۀ بسته 2→1برای فرآيند

)(0:در فرآيند چرخه ای =+ گرمای دريافتی ; QWQچ

:جزئی اصل اول برای فرآيند

dPotdCindUQW ++=+δδ

12121221' )( PotPotCinCinHHQW −+−+−=+ →

و سامانۀ باز 2→1برای فرآيند

اين حالت برای دستگاههای حرارتی معتبر است

آنتلپی است H=U+pV: در آن و

:اين معادلۀ بدست آورد توان از پذيری، می حالت بازگشت دستگاهها را،در قبيل اين ’W کار فنیو

T = cte : و در فرآنند همدما : فرآيند بی دررودر

: اول برای احتراق حجم ثابت اصل

: برای احتراق فشارثابتو

∫=2

1

' VdpW

Q=0

12 UUQv −=

12 HHQp −=

)ادامه(گرماپويايی اصل اول

تغيير گرمای واکنش برحسب دما •

حرارت مخصوص در Cpکه در آن و

فشار ثابت است

ثابت و وابسته r که در آن pV=rTمعادلۀ وضع گاز کامل •

.دمای مطلق است Tبه جنس گاز است و p0=101325Pa , vp=22.4litre/28.9 g.mol=1/1.293m³/kg , r=287J/K.kg: برای هوا •

Mayer := Cp/Cvمعادلۀ ميّر• ; r = Cp-Cv

pp CdTdQ Δ=/

12 ppp CCC −=Δ

)ادامه( اصل اول گرماپويايی

γ

)بازگشت پذير(فرآيندهای گازکامل

دما ثابت•

بی دررو•

پلی تروپيک •

'..1

2

2

12

1

2

1

wQpp

LnrTvv

LnrTvdvrTpdvw

v

v

v

v

=−===−=−= ∫∫

)(1

'&1 1122

1122 vpvpn

nwn

vpvpwctepvn −

−=

−−

=⇒=

)(1

'&1

0)(1

121122 ppwvpvpwctepv

op

dpvdvrdpvCdvpC

rQ vp

−−

=−−

=⇒=

⇒=+⇒=⋅⋅+⋅⋅=

γγ

γ

δ

γ

چرخۀ کاری

سرمايش انبساط گرمايش تراکم

خواص سيال عاملموتور اشتعال تراکمیموتور اشتعال جرقه ایفرآيند

تنفسهوا

)مايع و بخار(سوختدود باقيمانده از چرخۀ قبل

دود بازگردانده

هوادود باقيمانده از چرخۀ قبل

دود بازگرداند

تراکم)اساساً بخار(سوخت+ هوا

دود بازگردانده+ دود باقيمانده هوا

دودبازگردانده+ دود باقيمانده

انبساطمخلوط:محصولات احتراق

CO2,H2O,N2,O2,H2,CO,O,H,OH,NOمشابه جرقه ای

تخليه:محصولات احتراق عمدةً

H2O,CO2,N2,O2 برای مخلوط فقيربرای مخلوط غنی H2,COو

:محصولات احتراق عمدةًCO2,N2,O2,H2O

)ادامه( خواص سيال عامل

A نسبت جرم هوا به جرم سوخت؛ = رقت

A* سوخت؛نسبت جرم هوای لازم و کافی برای احتراق کامل = درست رقت

؛ r=A*/Aنسبت رقت درست به رقت واقعی= غنا

λ هوا اضافهλ=1/r :

کاهش بازده احتراق استنشاندهندۀ در دود C,HC,H2,COوجود : توجه

دود باقی مانده: f=mf/mنسبت جرمی دود باقيمانده•

:جرم دود موجود در استوانه است mfجرم کل محبوس و mکه در آن

m=me+ma+mc+mf me .جرم دود بازگردانده است;

:کاهش می يابد f در موتورهای جرقه ای ، با افزايش توان مقدار•

0.07<f<0.20f<0.04: در موتورهای ديزل •نشان دهيم mi=me+ma+mc: اگر جرم تنفسی را با •

EGR= me/miٍ:درصد دود بازگشتی برابرست با

چرخه های نظری - ٢

بودوروشا -چرخۀ اتونمونۀ محاسبات نظری

ژول -چرخۀ ديزلچرخۀ مختلط

چرخۀ پرخورانیچرخۀ خفانشی

بازده چرخه های نظری

بودوروشا - چرخۀ نظری اتو

تنفس بدون اتلاف انرژی 2→1تراکم بی درروی بازگشت پذير 3→2احتراق در حجم ثابت 4→3انبساط بی درروی بازگشت پذير 5→4تخليه بدون اتلاف انرژی 1→2ادامۀ انبساط هم آنتروپی تا فشار جو 6→5

p

VV1 V2

1

2

3

4

5

6فشار جو

1

11 −−= γτηO

1

2

VV

=τ

بودوروشا - محاسبات چرخۀ نظری اتو

p

VV1 V2

12

3

4

5

6فشار جو

61'

2

6

2

2

2

6

1

6

666616

5252

552534

443434

3313

121212

)1(

1,

,,,

)()(,,,

,)()(

,,

,,

TfTfT

vvf

vVm

vVm

pTR

vTVppcteVp

TTCmmqTpVVVVcteVp

TpTTCmmPmq

TpVVcteVp

VVTTpp

f

vca

vcacc

⋅+⋅−=

⋅=⇒==

⋅=⇒==⋅

−⋅⋅+=⇒===⋅

⇒−⋅⋅+=⋅=

⇒==⋅

⋅===

∗

τ

τ

γ

γ

γ

چرخۀ ديزل نظری

p

VV1 V2

12

3 4

5

فشار جو6

احتراق در فشار ثابت 4→3

)1(111 1 −

−×−= − δγδ

τη

γ

γD

3

4

3

4

TT

VV

==δ

چرخۀ مختلط نظری

p

VV1 V2

12

3

4

5

فشار جو6

3→I احتراق در حجم ثابتI→4 احتراق در فشار ثابت

I

)1(1111 1 −+−

−×−= − δγεε

εδτ

ηγ

γM

3

4

pp

=ε

چرخۀ پرخورانی نظری

تراکم در تنجار 1→8تنفس با فشار خروجی تنجار 2→1انبساط در گردا 7→5تخليه با فشار خروجی گردا 8→7

p

VV1 V2

12

3

4

5

peتخليه فشار

6

I

788’ 6’

paتنفس فشار

چرخۀ خفانشی نظری

تخليه در مقابل فشار مخالف 8→2تنفس خفانشی 7→1

p

VV1 V2

12

3

4

5peتخليه فشار

6

I

78

8’

6’

paتنفس فشار

جدول بازده چرخه های نظری

تعاريف بازده چرخه

1اتو- بودوروشا

11 −−= γτηO

1

2

VV

=τ

ديزل- ژول )1(

111 1 −−

×−= − δγδ

τη

γ

γD 3

4

3

4

TT

VV

==δ

مختلط )1(1

111 1 −+−−

×−= − δγεεεδ

τη

γ

γM 3

4

PP

=ε

وابستگی بازده چرخه های نظری به نسبت تراکم حجمیزدهبا

نسبت تراکم حجمی

حجم ثابت

فشار ثابت

مختلط

γ

τ

بازده چرخۀ نظری اتو بر حسب نسبت تراکم حجمی

γ

τح

τ

تقريبهای محاسباتی - ٣استفاده از چرخه های نظری١.

ثابت Cp,Cvفرض گازکامل واحد با ٢.

ثابت Cvگاز کامل با تازه، مخلوط ٣.ثابت Cvگاز کامل با دود، مخلوط

Cv(T)مخلوط تازه، گازهای کامل با ترکيب ثابت ۴.Cv(T)مخلوط دود، گازهای کامل با ترکيب ثابت - الف

بکاربستن خواص تعادلهای گرماپويايی با تقريب برای دود - ب

گازکامل در حال واکنش تعادلیدود، مخلوط -ج

استفاده از چرخه های واقعی۵.

برای هوا و مخلوط سوخت و بنزين Cp /Cvنسبت

Kدما

هوا

بدون دود باقيمانده

Cp/Cv

تخمين اتلاف گرمايیمعادلۀ نوسلت•

dtATTdQ

smNCU

Chmkcal

TTTT

UTp

tATTQ

Pg

m

Pg

pgr

mggcon

conR

pg

⋅−=

⋅⋅

=

≤≤⋅⋅

−−

=

+⋅=

+=

×⋅−=

)(

/1030

486365/

])100

()100

[(362.0

)24.11(9.0

)(

3

2

44

3 2

α

α

α

α

ααα

α

o

برای جدار است Pبرای گازها و نماد g در اين معادله نماد

80°C<TP<370°C

αcon ضريب انتقال گرمای وزشی وαR ضريب انتقال گرمای تابشی است

هر دو بر حسب

:معمولا مقداری که بدست می آيد ، در اين حدود است

:سرعت متوسط سمبه از اين معادله حساب می شود

A سطح متوسط مبادلۀ گرما است.

:معادلۀ نوسلت را می توان به طور لحظه ای نيز بکار برد

اتلافات در فرآيند واقعی چرخۀ کار

)تخليۀ دود(اتلافات ناشی از فرآيند نظری

احتراق واقعی

)هوا،سوخت،مخلوط(نشت ها

خنک کاری

کار تلمبه ای

کار مقابله با اصطکاک

لیاخت د

لافاات

چرخه های واقعی - ۴:است ضرورتهای فنیو اتلافاتتفاوت چرخه های واقعی و نظری ناشی از

:علل اتلافاتافت فشار به هنگام تنفسأ-

اتلافات عادی و تصادفی جرم ←}سمبه و استوانه و بستار{نشت از مجموعۀ ب-هوا و سوخت

اتلاف جرمی سوخت و آلودگی محيط←کامل نبودن احتراق ج-)کل گرمای احتراق% ٣٠تا٢٠≈(اتلاف گرمايی ←بی دررو نبودن فرآيندها د-اتلاف انرژی مکانيکی←پيشرسی تخليه ه-

:ضرورتهای فنیتدريجی بودن احتراق١.حرکت سمبه در هنگام احتراق٢.

مقايسۀ چرخۀ نظری و چرخۀ واقعیp

V

12

3

4

5a

b

c

α

βγ

:2-5-4-3-2کار چرخۀ نظری α-4-5-β-α:اتلاف بی دررو نبودن احتراق

b-β-γ-b: اتلاف بی دررو نبودن انبساطa-3-α-b-a: اتلاف آنی نبودن احتراق و حرکت سمبه در هنگام احتراق

c-γ-2-c: اتلاف پيشی در تخليه a-b-c-2-2: کار چرخۀ واقعی

==23452

22

WW abc

dηکار چرخۀ واقعیکار چرخۀ نظری

dη = بازده نمودار

p-vمقايسۀ چرخه های نظری و واقعی موتور اتو روی نمودار

فرآيند چرخۀ نظری بازفرآيند چرخۀ واقعی

τ

τ

افروزش و بازده نمودار

شمع•سامانۀ افروزش با انباره•سامانۀ افروزش ترانزيستوری•سامانۀ خلأيی پيشی در جرقه•سامانۀ گريز از مرکزی پيشی در جرقه•سامانۀ تنظيم هوشمند پيشی در جرقه•

شمع

گرم سرد شاخص رتبه بندی

سامانۀ افروزش با انباره مدار اوليه مدار ثانويه

سامانۀ افروزش ترانزيستوریمدار اوليهمدار ثانويه

سامانۀ خلأيی پيشی در جرقه

غشاء(1)

به طرف چندراهۀ تنفس

فنر(2)صفحۀ نصب منفصل کنندۀ اتصال

ميلۀ اعمال فشار

بادامک (5)منفصل کنندۀ اتصال

سامانۀ گريز از مرکزی پيشی در جرقه

موضع عملکرد درجا موضع عملکرد عادی

سامانۀ تنظيم هوشمند پيشی در جرقه

-سيم پيچ افروزش -رايانۀ موتور -تقويت کننده

-) برق(توزيع کنندۀ فشار قوی

تمام بار/ کليد عملكرد درجا فشار در چندراهۀ ورودی

دمای موتورفشار برق انبارهديگر متغيرها

سرعتموتور

علائممرجع

بازده مکانيکی=mη کار خالص روی ميل لنگ

کار حاصل از نمودار واقعی

P ↑ ) برایN =ثابت(↑N ↑↓

pmax ↓↑ pmeيا↑↓↑نسبت تراکم حجمی

↓↑گرانروی روغن ↑↑دمای خنک کاری

mη

mη

mη

mη

mη

ντ

:تعريف

%٨٠ ~داخلی موتور اصطکاک سهم - ١: علل آن %٢٠~...) تلمبه ها،ميل بادامک(الحاقی سهم وسائل -٢

:عوامل مؤثر بر آن

mη

نحوۀ اندازه گيری بازده مکانيکیموتور گردانی با يدک بستن موتور و انفصال تدريجی قطعات١.يابیو برون pmeترسيم منحنی مصرف مخصوص برحسب ٢.

مصرف مخصوصℓ/h

pme

+

++

+

+

XX

X

X

X

X

pmef

هنگامه ۴نيروی جانبی فشار گاز در موتور بیجان

ی روني تمام بار

تحليل تغييرات فشار متوسط مؤثر.ثابت می ماند توان تابع خطی سرعت دورانی می شد ηmو pmeاگر در موتور

محدوديت سرعت و توان ←مشکل روغنکاری ياتاقانها •):حتی با فرض پروانه کاملا باز( ثابت نيست pmeدر عمل •

:کمتر از مقدار نظری است زيرا pmeدر سرعت کند - الفدر حالت سوخت آمايی خفانش داريم -١ زمان بندی دريچه ها برای سرعتهای ميانی يا تند طراحی شده -٢

pmemax سرعت توان بيشينه است ½درسرعتی حاصل می شود که تقريبا:شديدا کمتر از مقدار نظری است، زيرا pmeدر سرعت تند - ب

کاهش بازده تنفسی ←هواگيری ضعيفتر و افت فشار بيشتر -١ اصطکاک افزايش می يابد -٢

در نتيجه توان در محدودۀ سرعت بيشينه ، با افزايش سرعت ابتدا ثابت می •ماند سپس کاهش می يابد

تحليل تغييرات فشار متوسط مؤثر

pme

PP توان

فشار متوسط مؤثر

بازده مکانيکی

ηm

N سرعت دورانی

بازده کلی

mdthg ηηηη ××=

=gηتوان مفيد روی محور موتورتوان گرمايی سوخت مصرفی

ترازنامۀ انرژیسوخت هوا

توان مؤثر

مرز سامانهدود

موتورخنک کاری

ساير اتلافات گرمايی

ترازنامۀ انرژی در موتورهای درونسوزانرژی سوخت

احتراقچرخۀ کاری

کارسمبه

اتلافات ناشی از احتراق ناقص

انرژی شيميايیموجود در دود

اتلافات ناشی ازفرآيندهای فشار قوی

کار تلمبه ای

گرمای دفع شده دردود و خنک کاری

کار اتلافی در اثر اصطکاکبه طرف کاربرد

انتقال حرکت

راه حلهای بهبود بازده موتور -۵ مشکل مزيت بررسی راهبردی بهبود بازده موتور

- + کاهش ظرفيت موتور

-- ++ کاهش اتلاف اصطکاک،کار تلمبه ای،دفع گرما

-- + کاهش لختی قطعات متحرک

-- ++ بهبود احتراق(هندسۀ اتاق احتراق و مجاری تنفس)

- ++ افزايش گشتاور در سرعت دورانی ميانی و کند، تطبيق جعبه دنده

- ++ پرخورانی

-- + کاهش سرعت دورانی در کند تهی

--- ++ خروج از مدار استوانه ها

-- + کاهش نيروی مورد نياز تجهيزات الحاقی

EGR%20+-- +++ تزريق مستقيم : - اشتعال تراکمی

EGR%30+-- +++ زمانه 4 - اشتعال جرقه ای

--- +++ زمانه 2 - اشتعال جرقه ای

- ++ بهبود سامانۀ هوشمند مديريت موتور

- ++ توسعۀ موتور اشتعال جرقه ای با : - زمان بندی متغير دريچه ها

-- +++ - نسبت تراکم بزرگ يا متغير

r ≤ 0.3 EGR+20%-- ++ - مخلوط فقير(لايه ای /همگن)

--++ - نرخ بازگردانی دود بزرگ

ملاحظات

اثر عوامل مختلف بر کاهش مصرف مخصوص و دی اکسيد کربن

CO2 و Cspکاهش % بر 10اثر کاهش

% 5 تا 3.5وزن خودرو % 2 تا 1.5ضريب مقاومت هواپويايی

% 2 تا 1.5سطح مقطع عمود بر جريان % 2مقاومت چرخشی

% 6اصطکاک انتقال نيرو % 10مصرف مخصوص موتور

تجزيه و تحليل بازده در خودرو

پروانه مولد برق

جعبه دندهتوان خالص موتورانتقال نيرو روی ميل لنگ

وتفاضلی

توان عرضه شدهروی چرخها

توان مورد نيازروی چرخها

مقاومت هوا

مقاومت چرخشی

نقطۀ عملکرد

سرعت خودرو ياسرعتسرعت دورانی موتور

عملکرد

Pتوان