OULUN YLIOPISO Koneensuunnittelun tutkimusryhmä 6A Polttomoottoritekniikan erusteet 5,0 o 5,0 CR Professori Mauri Haataja Luentomoniste II Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
EOREEISE YÖKIERRO Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
POLOMOOOREIDEN EOREEISE YÖKIERRO. Johdanto Polttomoottorien teoreettisilla työkierroilla tarkoitetaan yleensä mäntämoottoreille tarkoitettuja kiertorosesseja, joihin on tehty huomattavia termodynamiikkaan liittyviä yksinkertaistuksia käytännön laskelmien helottamiseksi. ämä on tehnyt mahdolliseksi yksinkertaisten matemaattisten mallien johtamisen työkierron hyötysuhteiden, sylinterityön ja tehon tarkasteluihin. ässä yhteydessä on syytä mainita se, että yksinkertaistetuilla malleilla saadut hyötysuhteet ovat usein korkeamia kuin todellisessa moottorissa ja teoreettisiin häviötarkasteluihin erustuvilla malleilla. Yksinkertaistetut teoreettiset työkierrot ovat tärkeitä auvälineitä hankittaessa tietoja hyötysuhteeseen vaikuttavien arametrien vaikutuksista. eoreettisten työkiertojen malleja rakennettaessa tehdään useita olettamuksia matemaattisten ja termodynaamisten kuvauksien helottamiseksi. Seuraavassa on esitetty tärkeimmät olettamukset: - työaineena käytetään ilmaa koko kiertorosessin ajan - alamiskaasujen ominaislämmöt ysyvät muuttumattomina; alamiskaasujen ominaislämökaasiteetti on korkeami kuin ilman; saadut huiulämötilat korkeamia kuin todellisessa moottorissa; ahdetuissa virhe on ienemi, koska ilmakerroin on suuremi - kiertorosessit mahdollisia ilman mekaanisia rajoituksia - laskelmissa käytetään ideaalikaasujen yhtälöitä. eoreettisten työkiertojen termodynaamiset yhtälöt yökierron hyötysuhde määritellään lämövoimakoneille saadun mekaanisen työn W ja sisään viedyn energian suhteena. Kuvassa on esitetty yleinen eriaate lämövoimakoneen hyötysuhteen määrittämiseksi. Q W η c Q missä Moottori kiertorosessi Q Q Q Qt Q Q W Q Q W (..) Kuva. Lämövoimakoneen hyötysuhteen c määräävät tekijät. missä Q = kiertorosessiin tuotu lämöenergia W = kiertorosessista saatu mekaaninen työ Q = kiertorosessista oistettu lämöenergia Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
Kiertorosessin tilanmuutosyhtälöiden erustaaukset Ideaalikaasujen yhtälö (..) missä = kaasun aine = kaasun tilavuus m = kaasun massa = kaasun lämötila R=8,50J/molK =0,868909J/kgK Adiabaattinen tilanmuutos Sovelletaan Poissonin lakia missä v C (..) c γ (..) c adiabaattivakio C = vakio R c c v (..5) Ominaislämökaasiteettien c v ja c yleiset määritelmät ovat: c v u v du d (..6) c h dh d (..7) missä u=kaasunominaissisäenergia; energia/massayksikkö (kj/kg) u=f(), lämötilan funktio h=ominaisentalia, energia/ massayksikkö (kj/kg) h=u+v ; v=/m(m /kg) (..8) Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
5 Käytännössä tilanmuutokset eivät ole häviöttömiä so. adiabaattisia, koska alamisrosessin aikana rosesseissa taahtuu lämmönsiirtoa ymäristön kanssa johtuen uutteellisesta erityksestä sylinterin ja sitä ymäröivän tilan välillä. ällöin alamisrosessissa tilanmuutos on olytrooinen. Lämmönvaihtoa lisää jäähdytys materiaalien rajallisen kestävyyden vuoksi. ällöin alotilan rakenteita, kuten sylinterikansi, mäntä ja kamikoneiston kone-elimet jäähdytetään korkeiden alamislämötilojen aiheuttamien lämökuormituksien alentamiseksi. Yhtälön eruskuvaus on sama kuin adiabaattisessa tilanmuutoksessa. Sen sijaan eksonentti kuvataan kokeellisesti määritetyllä ns. olytrooieksonentilla, missä <. Polttomoottoreille on olemassa kokeellisia arvoja mm. ottoja dieseltyökierroille. Yhtälökuvaus on C Yhtälön..5 on ääsuureita ovat: aine, tilavuus ja lämötila, jolloin työkiertojen ominaisiirrokset esitetään tyyillisesti - ja S-iirroksina. Kuvassa on esitetty adiabaattinen tilanmuutos -koordinaatistossa. Mäntämoottorissa adiabaattista tilanmuutosta sovelletaan uristus- ja työtahdin kuvauksessa. Kuvassa on esitetty -tahtisen mäntämoottorin työkierron äävaiheet: imu-, uristus-, työ- ja oistovaihe, männän liiketilat, ilman tai seoksen sisäänvirtaus, uristus, alamiskaasujen aisunta ja akokaasujen oistaminen. Kuva. -tahtisen mäntämoottorin työkierron vaiheet, männän liiketilat ja kaasunvaihto. Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
6 (,, ) Adiabaatti =C x ( x, x, x ) dw (,, ) 0 d c i DC BC Kuva. Adiabaattinen tilanmuutos ja tilaisteet -koordinaatistossa. ilaisteiden - välille voidaan esittää seuraavat yhteydet ilanmuutos -: adiabaattinen uristus Määritetään uristuksen louaineen ja alkuaineen välinen yhteys κ κ κ (..9) ε κ Mäntämoottorissa männän rajoittama sylinteritilavuus alakuolokohdassa(bc) on = i+ c ja yläkuolokohdassa(dc) = c. Ottamalla huomioon uristussuhteen määritelmä, saadaan ε (..0) astaavasti adiabaatin tilaisteessä x saadaan x Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06 7 κ x x (..) Lämötila määritetään ideaalikaasun yhtälön mukaan (..) Ottamalla huomioon yhtälö..9, saadaan uristuksen lou- ja alkulämötilojen suhteeksi (..) ilaisteessä x vastaavasti saadaan x x x x (..) aulukossa ja on esitetty olytrooieksonentin arvoja eri moottorityyeille. Mäntä-kamimekanismin tekemä kaasun uristustyö ) - - ( -κ C W d κ C d dw - - (..5) missä C
8 akion C määrittämiseksi sovelletaan ideaalikaasun ja Poissonin lakia, jolloin uristustyö voidaan määrittää tilavuusisteitä vastaavien lämötilojen avulla ja on vakiosta C riiumaton missä κ C C C m=m g=m f+m a=kaasun massa (..6) Sijoitetaan yhtälöön..5, jolloin saadaan uristustyölle yhtälö W d ( ) ( ) - (..7) -κ κ- º (-)>0 º adiabaattisessa uristuksessa < W<0. Paisuntavaiheen aikana saatu työ yöintegraali dw integroidaan, jolloin aisunnasta saatu mekaaninen työ olytrooisessa tilan muutoksessa on W - ( -κ W d - C κ ) C -κ ( κ - -κ ) - (..8) º (-)>0 º adiabaattisessa aisunnassa > W>0. Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
9 Isokoorinen tilanmuutos Isokoorisessa tilanmuutoksessa d=0, kuva. Muutoksessa tilavuus säilyy vakiona; =c. -iirroksessa isokoori on -akselin suuntainen suora. Männän tekemä työ dw=0. ilaisteiden ja aine- ja lämötilariiuvuudet määritetään ideaalikaasulain mukaan seuraavasti: (,, ) Isokoori d=0 dw=0 (,, ) d 0 Isokoorilla C Laki:Charles (..9) 0 Kuva. Isokoorinen tilanmuutos -koorinaatistossa. Isobaarinen tilanmuutos Isobaarisessa tilanmuutoksessa aine ysyy muuttumattomana, jolloin d=0 ja täten =c ; aine on vakio. Isobaari -iiroksessa on tilavuusakselin suuntainen suora, kuva 5. Ideaalikaasulain mukaan tilaisteiden ja lämötila- ja tilavuussuureille saadaan yhteydet: Isobaari d=0 6( 6, 6, 6 ) 5( 5, 5, 5 ) W 5-6 5 6 5 6 c 6 5 6 5 d 0 isobaarilla Laki: Gay-Lussac 5 6 C (..0) 0 5 6 Isobaarinen työ W 5-6=( 6-5) (..) = 5= 6 Kuva 5. Isobaarinen tilanmuutos -koordinaatistossa. Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
0 5 Isoterminen tilanmuutos Isotermisessä tilanmuutoksessa lämötila on vakio, d=0. ilaisteiden ja välille saadaan aine- ja tilavuussuureiden yhteydet seuraavasti 7( 7, 7, 7 ) Isotermi d=0 8( 8, 8, 8 ) 7 8 7 8 8 7 7 8 7 8 c d 0 isotermilla C Laki: Boyle-Mariotte (..) dw 0 d Kuva 6. Isoterminen tilanmuutos -koordinaatistossa. Isotermisessä tilanmuutoksessa tehty työ dw W 78 78 8 7 d 8 ln 7 8 7 d ln 7 8 (..) Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
aulukko. Polytrooivakion arvoja dieselmoottoreille. Sylinterin Moottorityyi halkaisija (mm) -t diesel, 00 suoraruisk. vesijääh. tai aukammio 00 -t, diesel, suoraruisk. -t, diesel, aukammio ahdettu ahtamaton,,,6,,5, aulukko. Polytrooivakion arvoja ottomoottoreille Sylinterin halkaisija (mm) Moottorityyi ahdettu ahtamaton 60-00 -t, vesijääh. auton,-,7,0-,5 moottori -t, ilmajääh.,-,8,-,6 Polytrooivakion suuruuteen vaikuttavat tekijät: - alotilan ja sylinterin seinämien lämmönsiirto: jäähdytys, alamisjätteet, geometrinen mitoitus ja muotoilu - moottorin lämötilan kasvaessa suurenee - moottorin yörimisnoeuden kasvaessa suurenee - ienenee sylinterin halkaisijan ja uristussuhteen ienentyessä ohivuodot sylinterissä vaikuttavat suuruuteen - ahtaminen, suurentaa -arvoa - uristuksessa ja aisunnassa -arvot oikkeavat hieman toisistaan; usein laskennassa käytetään samaa arvoa. Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
Esimerkki. Määritä ahtamattoman ottomoottorin uristuksen louaine ja - lämötila, kun = 95kPa, = (7,+55)K, uristussuhde =8,6. Ratkaisu: alitaan olytrooivakiolle arvo =, = 8,6, *95kPa = 66,9 kpa = 6,6bar = 8,6,- *8,K = 667,6K = 9, ºC. Esimerkki. Määrää alamisen loulämötila ja lämötilan kasvu ahdetussa dieselmoottorissa, kun ruiskutussuhde on, 5 ja alaminen taahtuu isobaarisesti. Puristuksen loulämötila 00K. Ratkaisu:,5 jolloin lämötilan nousu, jolloin alamisen loulämötilaksi saadaan,500k 70K 67C ( ) (,5-) 00K 50K 50 C Esimerkki. Määritä alamisen huiuaine sylinterissä isokoorisessa tilanmuutoksessa, kun = 800kPa, = 75K ja = 985K. Ratkaisu: 985 800 86kPa 75 Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
. Lämövoimakoneiden energiataseyhtälö Lämövoimakoneilla energiatase erustuu lämöhyötysuhteen yhteydessä määriteltyyn yleiseen energiaeriaatteeseen. Mäntämoottoreissa tuotu lämöenergia vaautetaan moottorin alotilassa alamisrosessissa. Lämöenergia muutetaan mäntä-kamimekanismissa mekaanisesi työksi ja huomattava osa lämöenergiasta kuluu lämöhäviöihin alamisrosessissa ja jäähdytyksessä dq j sekä mekaanisen koneen kitkahäviöihin dw. Lämövoimakoneille yleinen energiataseyhtälö voidaan esittää muodossa mv Δ W Q Δ U mgz (..) Yhtälön vasen termi ΔW Q edustaa työaineeseen tuotua mekaanista työtä ja lämöenergiaa. Yhtälön oikealla uolelle termit kuvaavat työaineen sisäenergian ΔU ja tilavuuden muutoksiin sekä työaineen siirtoon Δ, sekä työaineen liike- ja otentiaalienergian muutoksiin mv Δ mgz. Energiataseessa ei ole otettu huomioon lämöhäviöitä ja kamikoneiston kitkahäviöitä. Moottorin kitkahäviöitä on käsitelty luvussa. Esitetyssä energiataseyhtälössä useat termit ovat mäntämoottoreille vähän merkitseviä loutuloksen kannalta etenkin käytännön laskelmissa. oidaan tehdä seuraavat olettamukset: ΔW 0 mv Δ 0 Δ(mgz) 0. Energiataseyhtälö (..) voidaan esittää yksinkertaistetussa muodossa Yhtälö.. voidaan esittää entalian muodossa ΔQ Δ(U ) (..) H= (U+) (..) Yhtälöstä.. käytetään lämövoimakoneiden yhteydessä nimitystä termodynamiikan I-ääsääntö. ermodynamiikan I-ääsääntö voidaan esittää mäntämoottorille differentiaalimuodossa dq=du+d+d+dq j+dw (..) Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
missä dq = kiertorosessiin tuotu lämöenergia du = kaasun sisäenergian muutos = kaasun aine d = kaasun tilavuuden muutos dw=d, kaasun työdifferentiaali dq j=alamisrosessista oistunut lämöenergia dw =mäntä-kamimekanismin ja kaasuvaihtomekanismien kitkahäviöt Mäntämoottoreilla kaasujen syrjäytystyö d 0, koska edellisen työkierron alamiskaasut oistetaan sylinteristä ja uusi työaine otetaan sisään tilavuuteen, jonka yhteydessä työ d on vähän merkitsevä ja täten voidaan jättää huomioon erillisenä häviökomonenttina huomioon ottamatta. Yleensä kitkahäviöt dw jätetään huomioon ottamatta. Sen sijaan niiden merkitys tulee esille termodynaamisten työkiertojen häviökomonenttien erittelyssä, jolloin kaasuvaihto- ja kitkahäviöt ja aulaitteiden energiataseet eritellään emiiristen menetelmien mukaan. Käytännön laskelmissa moottorin kiertorosessin lämöhäviöt dq j ja mäntä-kamimekanismin kitkahäviöt dw eritellään kokeellisten menetelmien tuloksien erusteella sekä kiertorosessien kaavojen avulla arvioimalla tilaisteiden lämötila-arvojen suuruutta ja iteroimalla kiertorosessin kokonaishäviöt moottorin kokonaishyötysuhteen, ominaiskulutuksen ja mekaanisen hyötysuhteen taulukkoarvojen erusteella. Lämöhäviöiden osuus esimerkiksi adiabaattisessa tilanmuutoksessa otetaan huomioon olytrooivakion avulla. Edellä mainittujen seikkojen erusteella I-ääsääntö elkistyy muotoon I-ääsäännön soveltaminen tilanmuutoksissa dq=du + d (..5) Adiabaattinen tilanmuutos: Lämmönsiirtoa ei taahdu ymäristön ja kiertorosessin välillä, kuva. Silloin voidaan asettaa dq=0, merkitään yhtälö (..5) nollaksi, jolloin saadaan du = -d (..6) Yhtälön..6 tulkinta: Häviöttömässä tilanmuutoksessa mäntämoottorissa mäntäkamimekanismi antaa työtä määrän dw =d kaasuun uristustahdin aikana, jolloin kaasun sisäenergia suurenee määrällä du ja työtahdin aikana alamiskaasujen aisuessa kaasu luovuttaa mekaanista työtä määrän dw =d, jolloin kaasun sisäenergia ienenee määrällä -du. Käytännössä tilanmuutos on olytrooinen, jolloin lämöenergiaa siirtyy dq j taahtuu kaasusta ymäröivän sylinterin seinämien välityksellä ymäristöön. oisaalta korkeiden alamislämötilojen saavuttaminen ei ole mahdollista materiaalien rajallisen kestävyyden vuoksi, joten niitä on jäähdytettävä. I- ääsääntö voidaan esittää muodossa dq = du +d+dw (..7) Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
5 ällöin kaasun sisäenergian suurentamiseen on käytettävissä lämöenergia du du =dq -(d+dw (..8) Otaksuen, että olytrooisessa muutoksessa olytrooivakio on määritetty lämöhäviöitä vastaavasti. Käytännön laskelmissa kitkahäviökomonentti dw jätetään huomioon ottamatta. ällöin sisäenergian muutos elkistyy muotoon du =dq -d Isokoorinen tilanmuutos: ilavuudenmuutos d=0, jolloin d=0 ja I- ääsäännön mukaan dq=du. ämä merkitsee sitä, että tuotu lämöenergia käytetään kokonaisuudessaan sisäenergian suurentamiseen. Isokoorinen tilanmuutos on tyyillinen ottomoottorissa, jossa lämöenergia Q tuodaan kiertorosessiin suurelta osin vakiotilavuudessa, kuva. Palamiskaasujen sisäenergia kasvaa määrällä du. Käytännössä taahtuu lämmönvaihtoa ymäristön kanssa dq j. Sen sijaan mäntä-kamimekanismin kitkahäviöt ovat verraten ienet männän liikkeen ollessa verraten vähäinen, jolloin mäntä-kamimekanismin kitkahäviöt dw 0. ällöin kaasun sisäenergian on suuruus on U =Q -Q j (..9) U =c v( )m-q j (..) missä m=m f+m a=(+l o)m f (..) m f=olttoaineen massa m a=alamisilman massa m=kaasun massa Polttoaineen sisältämä lämöenergia Q ja kaasun sisäenergia U Q =m fh f (..) U =m fh f-q j (..) Käytännön laskelmissa arvioidaan jäähdytyshäviöt Q j, jolloin nettolämömäärä on Q net=u =Q -Q j (.. ) Kaasun ominaislämökaasiteetti voidaan interoloida lineaarisesti taulukkoarvojen erusteella c vm t t cv t cv t t0 t0 (..5) t t Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
6 t=lämötila /ºC c =kaasun ominaislämökaasitetti vakiotilavuudessa,taulukkoarvot oinen taa on määrittää alamiskaasun kaasuvakio isokoorisessa tilanmuutoksessa R ex avulla seuraavasti, alamiskaasun kaasuvakio R ex=0,90kj/kgk Lämötilan kasvu tilaisteiden ja välillä R ex cv (..6) - Δ ( ) U (..7) cvmg Paineen kasvu tilaisteiden ja välillä Δ ( ) ( ) (..8) Indikoitu työ W =0, koska d=0. Mäntämoottoreissa akokaasut oistetaan isokoorisesti, jolloin akokaasujen mukana oistuu lämömäärä dq. Isobaarinen tilanmuutos: Paine on =c=vakio d=0, kuva. Lämöenergia dq 56=dU 56+d käytetään sisäenergian suurentamiseen du ja mekaaniseksi työksi dw=d. Osa lämöenergiasta kuluu dq j56 lämöhäviöihin ja mäntä-kamimekanismin kitkahäviöihin dw Dieselkiertorosessissa huomattava osa olttoaineen lämöenergiasta tuodaan 6 isobaarisesti ruiskutussuhteen ρ määräämässä tilavuusmuutoksessa ( 5 6 ), 5 jolloin aine ysyy vakiona. Mekaaninen työ on suuruudeltaan ja sisäenergian kasvu missä W 56=( 6-5)-W (..0) U 56=c ( 6 5)m-Q j56 (..) Q net=u 56=m fh f-q j56 (..) Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
7 Kaasun ominaislämökaasiteetti vakioaineessa määritellään kuten edellä on esitetty c m c t t 6 0 t t 6 6 c t 5 t t 5 0 t 5 oinen taa on määrittää alamiskaasun kaasuvakion R ex avulla seuraavasti c Rex - Lämötilan kasvu isobaarisessa tilan muutoksessa U56 Δ (..) c m ällöin energiatase on Q =U +W =c v( 6 5)m-Q j56+ ( - )-W (..) Käytännön laskelmissa lämöhäviöiden Q j56, mäntä-kamimekanismin kitkahäviöt W eritellään kokemuseräisten kaavojen avulla ja arvioimalla tilaisteiden lämötila-arvojen suuruutta sekä iteroimalla kiertorosessin kokonaishäviöt moottorin kokonaishyötysuhteen, ominaiskulutuksen ja mekaanisen hyötysuhteen taulukkoarvojen erusteella. Isoterminen tilanmuutos: Lämötila on vakio, d=0 du=0, koska sisäenergia on ainoastaan lämötilan yksikäsitteinen funktio. ästä on seurauksena, että lämöenergia dq=d-dw =dw käytetään kokonaisuudessaan mekaaniseksi työksi ja osa lämöenergiasta kuluu kitkahäviöihin. Käänteisessä rosessissa mekaaninen työ muuttuu lämöenergiaksi. Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
8 OOYÖKIERO. Ottomoottorin teoreettinen työkierto Ottomoottorin työkierto on ns. vakiotilavuustyökierto, jolloin kiertorosessiin tuotu lämöenergia Q vaautetaan isokoorisessa tilanmuutoksessa -, kuva 7. yökierto alkaa isteestä, uristustahdin alkuisteestä männän ollessa alakuolokohdassa (BC) tilasuureiden ollessa (,, ). Polttoaineen ja ilman seos uristetaan adiabaattisesti, käytännössä olytrooisesti tilanmuutoksessa -. Puristustyön suuruus on ilasuureet isteessä ja ovat: W ( ) (..) κ R=R a=0,870kj/kgk missä o c hr ( o ) (..) hr=imukanavan virtausvastukset (kpa = ca, ahdetttu moottori, ca=ahtoaine ε ε κ κ c (..) Kuva 7. Ahtamattoman -tahtisen ottomoottorin työkierto -iirroksessa. Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
9 Isokoorisessa tilanmuutoksessa - vaautuu lämömäärä Q Q c v m( ) (..) Palamisen loulämötila ja lämötilan kasvu ovat Q Δ (.. ) m c v missä m=kaasun massa m=m f+m a Palamisen maksimilämötila voidaan määrittää myös kaasun ominaislämökäyrästöstä yhtälöstä Q v 0 0 m( c c ) (..5) Maksimilämötila ja maksimiaineen välinen yhteys isokoorialamisessa on seuraava ja lämötilan kasvu Δ Maksimiaine ja aineen kasvu Δ ilanmuutoksessa - adiabaattisessa aisunnassa kaasu luovuttaa työn, jonka suuruus on W ( ) (..6) κ R=R ex=0,90 kj/kgk Isokoorisessa tilanmuutoksessa - oistetaan lämöenergia Q Q v v c m( ) (..7) yökierron hyötysuhde c Adiabaatilla on voimassa η c W Q i (..8) Q Q Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
0 ε ε κ κ- η Otto W (..9) i c κ- κ- Q ε ( ) ε yökierrosta saatava työ ns. indikoitu työ W i W i=w -+W -+W -+W - (..0) missä W -=0 ja W -=0, ( ) ( ) (..) κ κ Wi Kaasun energiataseen ja tehollisen keskiaineen määritelmän mukaan sylinterin työkierron indikoitutyö määritetään sylinterin iskutilavuuden i ja indikoidun keskiaineen i tulona W i= i i. Sen tulee kattaa kamiakselilta saatava työ dw= e i ja häviökomonenttien vaatima työ W l= l i. Indikoitu keskiaine i on tehollisen keskiaineen e, ja häviökeskiaineen l summa seuraavan yhtälön mukaan i W i e l (..) i Mekaaninen hyötysuhde voidaan määrittää työeriaatteen mukaan tehollisen keskiaineen ja indikoidun aineen avulla W e e i e l m (..) Wi ii i i yökierron laskelmien tuloksien mukaan mekaaninen hyötysuhde tulee vastata taulukkoarvoja ja täten häviökeskiaine on riittävä kattamaan mäntäkamikoneiston kitka- ja kaasunvaihtohäviöt. yökierron hyötysuhteen määritys työeriaatteella Sijoitetaan yhtälöön..8 yhtälöt.. ja..0) ja ottamalla huomioon, R=c - c v ja =c /c v R=c v sijoittamalla yhtälöön, jolloin saadaan elkistetty muoto ( ) ( ) W ind ( )( ) η κ κ cotto (..9 ) Q c m( ) ( ) v Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
Ahtamattomassa -t moottorissa kaasunvaihtotyö on negatiivinen, jolloin työ otetaan kamiakselilta. uore seos imetään sylinteriin ulkoilman ainetta alemmassa aineessa; aliaineessa (= 0- hr, hr=imuutkiston virtausvastukset), jolloin mäntä tekee työtä aliainetta vastaan. Palamiskaasujen oistaminen taahtuu ulkoilman ainetta o korkeamaan aineeseen, jolloin mäntä tekee työn yliainetta vastaan. Kaasunvaihtotyö otetaan kamiakselilta, kuva 8. Kaasunvaihtotyö(uming loss) o i Kuva 8. Ahtamattoman -tahtisen ottomoottorin kaasunvaihtotyö on negatiivinen. Ahdetussa -t moottorissa kaasunvaihtotyö on ositiivinen, koska imutahdin aikana sylinterissä vallitseva aineen keskitaso on korkeami kuin oistotahdin aikana, kuva 9. W=W ind o 0 c kaasunvaihtotyö + i YKK AKK Kuva 9. Ahdetun -t Ottomoottorin kaasunvaihtotyö on ositiivinen. Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
. yökierron hyötysuhteen riiuvuus uristussuhteesta yökierron hyötysuhde sitä korkeami mitä suuremi on uristussuhde. Hyötysuhteen kasvu hidastuu uristussuhteen kasvaessa. odellisessa moottorissa kitkahäviöt kasvavat uristussuhteen kasvaessa, mikä johtuu koko työkierron ainetason kasvusta. Myös olttoaineen nakutusherkkyys asettaa omat rajoituksensa uristussuhteen nostamiselle sekä mäntien, kiertokankien, kamiakselin laakereiden mekaaniset ja termiset rasitukset. Moottorille on löydettävissä otimiuristussuhde, joka tuottaa korkean vääntömomentin ja tehon sekä alhaisen olttoaineen ominaiskulutuksen riittävän elinkaarikestävyyden. odellisissa moottoreissa uristussuhde ei ylitä arvoa =. Kuvassa 0 on esitetty uristussuhteen vaikutus hyötysuhteen kasvuun ja kasvun hidastumiseen so. kyllästymiseen. 0,70 c c 0,60 0,50 0,0 0,0,,,0 0,0 0,0 0,00 Puristussuhde 0 6 8 0 Kuva 0. Ottotyökierron hyötysuhde uristussuhteen funktiona, kaasun eri ominaislämöarametreilla. aulukko. Ottotyökierron hyötysuteen riiuvuus uristussuhteesta kaasun eri ominaislämöarametreilla. =,0 =,5 =,0 0, 0, 0,9 0,6 0, 0,8 0, 0,8 0, 5 0,7 0, 0,8 6 0,5 0,7 0, 7 0,5 0,9 0, 8 0,56 0,5 0,6 9 0,58 0,5 0,8 0 0,60 0,55 0,50 0,6 0,57 0,5 0,6 0,58 0,5 Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
. eoreettinen dieseltyökierto Dieseltyökierto on ns. vakioainetyökierto, jossa lämöenergia Q tuodaan alamisrosessiin isobaarisesti so. vakioaineessa, kuva. Lämöenergia käytetään tilanmuutoksessa - kaasun sisäenergian du ja dw=d suurentamiseen. Palamisilma uristetaan tilanmuutoksessa - adiabaattisesti, käytännössä olytrooisesti. ilanmuutoksessa - alamiskaasu laajenee olytroisesti. ilanmuutoksessa - alamiskaasut ja lämöenergia Q oistetaan sylinteristä isokoorisesti. Wi Kuva. eoreettinen dieseltyökierto -koordinaatistossa. Kiertorosessin tuotu lämöenergia Q =W i+q (..) Q =c m( - ) (..) Kiertorosessista oistettu lämöenergia Q =c vm( - ) (..) Määritetään olttoaineen ruiskutussuhde ρ (..),käytetään myös nimitystä olttosuhde. Isobaarisessa tilanmuutoksessa ruiskutussuhde voidaan määrittää myös lämötilojen ja erusteella ρ (.. ) Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
Dieseltyökierron termodynaaminen hyötysuhde määritelmän mukaan on η cdiesel cvm( ) ( ) c m( ) ( ) Määritellään lämötilojen väliset yhteydet, koska κ ρε ρ ρε κ η cdiesel κ (ρ ) κ κ(ρ )ε Diseltyökierron hyötysuhteelle saadaan yhtälö ( ) η cdiesel (..5) κ ( ) ε Kuvassa on esitetty dieseltyökierron hyötysuhdekuvaajat eri ruiskutussuhteen arvoilla uristussuhteen =0 0, funktiona. Hyötysuhdearvot esitetty taulukossa. Kuva. Dieseltyökierron hyötysuhde kuvaajat uristussuhteen funktiona eri ruiskutussuhdearametreilla. Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
5 aulukko. Dieseltyökierron hyötysuhde uristussuhteen funktiona eri ruiskutussuhdearametreilla. Kaasun ominaislämökaasiteettivakio =,. =,5 =,5 =,5 0,0 0, 0,9 7 0, 0,7 0, 8 0,6 0,0 0,5 9 0,8 0, 0,7 0 0,50 0, 0,0 0,5 0,6 0, 0,5 0,7 0, 0,5 0,9 0,5 0,55 0,50 0,6 5 0,56 0,5 0,7 6 0,57 0,5 0,8 7 0,58 0,5 0,9 8 0,59 0,5 0,50 9 0,59 0,55 0,5 0 0,60 0,56 0,5 0,6 0,56 0,5 0,6 0,57 0,5 0,6 0,58 0,5 0,6 0,58 0,55 yökierrosta saatava työ ns. indikoitu työ W i W i=w -+W -+W -+W - (..9 ) missä Indikoiduntyön lauseke on W ( ) ( ), ja W -=0. ( ) ( ) ( ) (..6) κ κ Wi yökierron hyötysuhde työeriaatteen mukaan on η cdiesel ( ) ( ) ( ) W i κ κ (..7) Q c m( ) Ottamalla huomioon seuraavat yhteydet: Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
6 R c c -cv ja c c, v, R Sijoittamalla yhtälöön..7 ja elkistetään,jolloin saadaan äädytään vastaavaan työkierron hyötysuhteen yhtälöön..5. η η η η cdiesel cdiesel cdiesel cdiesel ( ) ( ) ( κ κ ( ) κ ( ) - ( ) ( ) - ( ) ( -) ( ) ( -) - ) Indikoituaine i ja mekaaninen hyötysuhde m määritetään yhtälöistä.. ja... Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
7. Seiliger-työkierto Seiliger-työkierto on kehitetty alun erin Otto-työkierron laskennan tarkkuuden arantamiseksi. yökierrossa lämöenergia Q tuodaan isokoorisessa tilanmuutoksessa - lämöenergia Q ja isobaarisessa tilanmuutoksessa - Q. Palamisvaiheiden aikana otetaan huomioon lämöhäviöt. Puristus - ja aisunta - käsitellään olytrooisena tilanmuutoksena. Osa lämöenergiasta Q oistetaan isokoorisesti, kuva. Määritellään lämömääräyhtälöt, ruiskutussuhde ja aineen kasvuarametri seuraavasti: Wi Q =Q +Q (..) Q =c vm( - ) (..) Q =c m( - ) (..) Q =c vm( - ) (..) Ruiskutussuhde ρ (..5) Palamisaineen kasvuarametri, (..6) Kuva. eoreettinen Seiliger-työkierto -koordinaatistossa. Määritetään työkierron hyötysuhde c c m( ) ) 5 5 v Q c (..7) Q cvm( ) cm( ) ( ) ( ) ( Ottamalla huomioon seuraavat lämötilayhteydet, Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
8 saadaan 5 5 κ ; κ 5 5 5 (..8) Sijoittamalla yhtälöön..7 lämötilayhteydet, saadaan Seiliger-työkierron hyötysuhteelle yhtälö C (..9) Seiliger - ( ) º Kun =, yhtälö alautuu Otto-työkierron hyötysuhteen yhtälömuotoon..9. º Kun =, yhtälö alautuu Diesel-työkierron hyötysuhteen yhtälömuotoon..5. Indikoitutyö määritetään tilamuutostöiden summana seuraavasti W i=w - + W - + W -+W -5 + W 5- missä W -=0, W 5-=0 jolloin indikoitutyö on ( ) ( ) ( ) (..0) κ κ Wi 5 missä W W W - - -5 ( ) κ ( ) ( 5) κ Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
9.5 Yleinen työkierto Yleisessä työkierrossa olttoaianeen lämöenrgia Q tuodaan tilanmuutoksessa - isokoorisesti lämöenrgia Q, isobaarisessa tilanmuutoksessa - isobaarisesti lämöenergia Q ja tilanmuutoksessa -5 isotermisesti lämömäärä Q. Puristusvaihe - ja aisunta 5-6 käsitellään olytrooisena tilanmuutoksena. arkkuutta voidaan arantaa ottamalla huomioon alamisvaiheiden aikana taahtuvat lämöhäviöt(jäähdytyshäviöt), uristus ja aisunta käsitellään olytrooisena tilanmuutoksena, kuva. Yleinen työkierto soveltuu dieseltyökiertojen laskentaan. yökierron hyötysuhde määritetään energiaeriaatteen mukaisesti. Muilla menetelmillä yhtälön aramertriesitykset ja yhteydet eri tekijöihin tekevät yhtälökuvauksesta vaikeaselkoisen. Lämöenergiataseet määritetään seuraavien yhtälöiden mukaan Q =Q +Q + Q (.5.) Q =c vm( - ) (.5.) Q =c m( - ) (.5.) Q ''' ln ln 5 5 (.5.) Q =c vm( 6- ) (.5.5) Q =W i+q W i Kuva. eoreettinen yleinen työkierto -koordinaatistossa. Indikoitutyö on W i=w - + W - + W - + W -5 + W 5-6 + W 6- W -=0, W 6-=0, W -5 Q ''' ln ln, jolloin indikoitutyö on 5 5 Wi ( ) ( ) ln (5 6) κ (.5.6) 5 κ Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06 0 yökierron hyötysuhde on 5 ln ) - m( c ) - m( v c ) ( κ ln ) ( ) ( κ Q W η 6 5 5 c (.5.7) missä v c c ε ξ
.6 Hyötysuhteiden vertailuja eri työkirtoroseseissa - ja S-iirosten erusteella Lähde: Rikhard van Basshuysen, Fred Schäfer., Internal Combustion Engine Handbook. 00 Sae. (Handbuch erbrenneungsmotor by Rikhard van Basshuysen, Fred Schäfer. ieweg verlag, Wiesbaden, Germany 00. ) Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
yökierron häviöt vakiotilavuustyökierrossa( Otto-työkierto) Lähde: Rikhard van Basshuysen, Fred Schäfer., Internal Combustion Engine Handbook. 00 SAE. (Handbuch erbrenneungsmotor by Rikhard van Basshuysen, Fred Schäfer. ieweg verlag, Wiesbaden, Germany 00. ) Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
.7 Hyötysuhteiden ja häviöiden määritys ahdetun moottorin -iiroksesta Lähde: Rikhard van Basshuysen, Fred Schäfer., Internal Combustion Engine Handbook. 00 SAE. (Handbuch erbrenneungsmotor by Rikhard van Basshuysen, Fred Schäfer. ieweg verlag, Wiesbaden, Germany 00. ) yökierron terminen hyötysuhde määritellään yhtälöstä Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
5.6 Polttoaineen alaminen kiertorosessissa.6. Palamisosuudet Polttoaineen kemiallisen energian vaauttaminen taahtuu sylinterin tietyssä osassa alotilassa. Ottotyökierrossa olttoaineen energian vaauttaminen alamisrosessin kautta taahtuu ääosin isokoorisesti ja dieseltyökierrossa isobaarisesti. odellisissa moottoreissa alaminen taahtuu ennalta suunnitellussa ns. alamisjärjestyksessä, jossa määritetään kuinka suuri osa olttoaineen lämöenergiasta vaautetaan vakiotilavuudessa, -aineessa ja vakiolämötilassa. Hyötysuhteen kannalta olisi edullisinta vakiotilavuudessa alaminen, taulukko 5. Moottorin yörimisnoeuden kasvaessa vakioaine- ja vakiolämötilaalamisen osuudet kasvavat. Kokonaan vakiotilavuudessa alamisesta joudutaan tinkimään jossain määrin, koska alamisaineen äkillinen kasvu ja korkea maksimiaine saavat aikaan mekaanisten ja termisten rasituksien kohoamisen, joka saattaa usein huonontaa moottorin toimintaedellytyksiä. Seuraavassa taulukossa on esitetty ohjeellisia alamisjärjestyksen osuuksia eri moottorityyeille..6. Maksimiaineen rajoittaminen Kiertorosessissa olttoaineen alamisjärjestys vaikuttaa maksimiaineeseen. Ahdetuissa moottoreissa maksimiaineetta joudutaan rajoittamaan kamikoneiston ja laakereiden ylikuormittumisen välttämiseksi. ähän on käytettävissä useita eri keinoja, kuten - ruiskutusennakon valinta, ruiskutusainetaso - alotilan muotoilu ja jäähdytys - ruiskutusumun nokan muotoilu, männän koko - olttoaineen määrän säädöllä ja suihkujen suuntaaminen - seossuhteen ja sytytysennakon säätö. aulukossa 6 on esitetty dieselmoottorille ohjeellisia maksimiaineen arvoja kytkettynä tehollisen keskiaineen arvoihin ja ahtamattomille ottomoottoreille uristussuhteen funktiona ja taulukossa 7 on esitetty häviötehon jakaantuminen komonenteittain männän keskinoeuden funktiona sekä taulukossa 8 mekaaninen hyötysuhde ja hyvyysluku eri moottorityyeille.. aulukko 5. Otto- ja dieselmoottoreiden alamisjärjestysosuuksia. Otto Ahtamaton diesel Ahdettu diesel akiotilavuus-alaminen 70% 0% % akioaine-alaminen 0% % 5% akiolämötilaalaminen Jälkialaminen aisunnan aikana, sis. alamaton olttoaine n. 0,5-% 0% 0% 5% % 0% % aulukossa esitetyt luvut ovat ohjeellisia ja eri moottorityyeillä oikkeamat Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
6 saattavat olla joa 0%. aulukko 6. Maksimiaineen arvoja -t dieselmoottorille ehollinen keskiaine Ma Ahtamaton Ahdettu 0,5 5, - 6, - 0,7 6,5-7,8 8-9 0,9 8,5-0 9 - Puristussuhde Maksimiaine (MPa) 8, - 5, 9 5, - 6,0 0 5,8-6,8 6,5-7,5 7, - 8, aulukko 7. Häviötehokomonenttien jakaantuminen kitka-, kaasunvaihtohäviöiden ja aulaitteiden energiatareen suhteen. Moottorityyi kitka kaasunvaiht. aulaittee männän keskinoeus/m/s -t-otto ahtamaton 55 5 diesel ahtamaton 6 0 8 5 diesel ahdettu 89 5 uuletinhäviöt ovat mukana mekaanisen hyötysuhteen arvoisa, kulkuneuvomoottoreissa sen suuruus on n. -5% kamiakselitehosta. aulukko 8. Mekaanisen hyötysuhteen arvoja eri moottorityyeille. diesel otto ahtamaton 0,75...0,8 0,65...0,78 ahdettu 0,78...0,86 0,75...0,85 Hyvyysluku on indikoidun ja teor.lämötehon suhde g i (.6.) Yhtälö ilmoittaa kuinka hyvin -iiroksessa määritetty sylinteriteho saadaan hyödyksi. Noeiden kulkuneuvomoottorien hyvyysluku on ahtamattomilla g 0,75-0,85 ja ahdetuilla g 0,85-0,90. P P t Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
7.6. Moottorin kokonaisjäähdytyshäviöt ja jäähdytyshäviöt alamisrosessissa Polttoaineen lämömäärästä kuluu merkittävä osuus jäähdytyshäviöihin. Moottorin jäähdytettävät osat koostuvat sylinterien, sylinteriutkien, sylinterikannen, mäntien, kamikoneiston, laakereiden, ahtimen, kaasunvaihtokoneiston, -kanavien jäähdytyksestä. Sylinterissä sijaitsevat osat joutuvat toimimaan korkeissa lämötiloissa, jolloin materiaaleihin kohdistuu korkeat lämö- ja mekaaniset rasitukset. Riittävän toimintavarmuuden saavuttamiseksi käytetään jäähdytystä alentamaan rasituksia ja vaurioitumisriskiä. Huomattava osa lämmöstä syntyy koneen osien keskinäisestä kitkasta. Kitkatyö on ns. dissiaatioenergiaa, joka muuttuu lämmöksi. Huomattava osa kitkalämmöstä oistetaan moottorin jäähdytysjärjestelmällä. Jäähdytysjärjestelmän mitoituksessa on otettava huomioon moottorin toiminta jatkuvalla maksimiteholla. Jäähdytysjärjestelmän suorituskyky tulee vastata noin kolmasosaa moottorin maksimilämötehosta. aulukossa 9 on esitetty eri moottorityyien kokonaisjäähdytyshäviö olttoaineen lämöenergiasta riiuvana. aulukko 9. Eri moottorityyien kokonaisjäähdytyshäviö % olttoaineen lämöarvosta, täyden kuorman olosuhteissa. Moottorityyi Kokonaisjäähdytyshäviö % Diesel - ahtamaton - 8 - ahdettu (ahtoilman jäähdytys joa 0%) - 6 Otto - vesijäähdytteinen -0 - ilmajäähdytteinen 8-0 Palamisrosessin aikana alotilasta ja sylinteristä siirtyy lämöä alotilaa ymäröiviin rakenteisiin ja jäähdytysveteen tai ilmaan. ämä ienentää sylinterin indikoitua työtä ja -tehoa. Jäähdytyshäviöiden suuruuteen vaikuttavat moottorin kuormitusaste, ahtoaste. ehollisen keskiaineen kasvaessa myös jäähdytyshäviö kasvaa. aulukkoarvot ovat vaihtelualueen ylärajalla. aulukossa 8 jäähdytyshäviöt on eritelty alamisolosuhteiden mukaan olttoaineen lämöarvosta arvioituna. aulukko 8. Eri moottorityyien jäähdytyshäviöt olttoaineen lämöarvosta %. Jäähdytyshäviöt % Palamisolosuhde Ahtamaton diesel Ahdettu diesel Ahtamaton ottom. akiotilavuus alaminen - - 5 akioainealaminen -,5 - - 6 akiolämötilaalaminen -,5,5 -. Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
8.6. Kiertorosesseja koskevia huomauksia Seuraavassa esityksessä on tuotu esille ääkohdittain muutamia keskeisiä tekijöitä teoreettisen työkierron ja todellisen moottorin työkiertorosessien kuvauksissa johtuviin eroihin ja oikkeamiin. Näitä ovat mm. seuraavat:. Mäntämoottoreissa ottotyökierto tuottaa korkeimman termodynaamisen hyötysuhteen kun tekijänä on uristussuhde.. yökierron korkein hyötysuhde saavutetaan silloin, kun mitä suuremi osuus alamisesta taahtuu vakiotilavuudessa(isokoorialaminen, d=0) kuin vakioaineessa (isobaarialaminen, d=0).. Isotermisessä (vakiolämötilassa d=0) tilanmuutoksessa tuotu lämöenergia huonontaa työkierron hyötysuhdetta.. yökierron korkean hyötysuhteen saavuttamisen edellytys on riittävän korkea uristussuhde. Korkeita uristussuhteita tavoiteltaessa häviöiden osuus kasvaa ja täten uristussuhde tulee valita otimoimalla korkeaa hyötysuhdetta ja minimikitkahäviöitä. 5. Maksimisylinteriaineen ollessa rajoittavana tekijänä, jolloin diesel-, Seiliger- ja yleinen työkierto tuottavat suuremman indikoidun työn kuin ottotyökierto. 6. Yhtä suurella uristussuhteen arvolla ottotyökierrosta saadaan enemmän työtä kuin Diesel-työkierrosta. 7. Moottorin kamikoneiston mekaanisten kuormituksien kasvu on verrannollinen vakiotilavuusalamisen suhteelliseen osuuteen. 8. Päämitoiltaan saman kokoisten moottoreiden suhteen dieselmoottorin kokonaishyötysuhde on korkeami kuin ottomoottorin, johtuen mm. alamisrosessin sytytystavoista: kiinäsytytys(otto), uristussytytys(diesel), olttoaineen ja ilman seoksen syttymisrajojen eroista,olttoaineen ominaisuuksista; (ottomoottorissa nakutustaiumus) ja dieselmoottorin toiminta hyötysuhteen kannalta on edullisemi korkeammalla uristussuhteen arvolla kuin ottomoottorissa. 9. odellisen mäntäkoneen työkierrosta saadaan vähemmän työtä kuin ideaalisen koneen työkierrosta, johtuen mm. seuraavista tekijöistä: Sylinterin ja alotilan jäähdytyksessä oistuu huomattava osa kiertorosessiin tuodusta olttoaineen lämöenergiasta. Mäntämoottoreissa työaine(alamisilma+olttoaine)vaihdetaan jokaisen työkierron jälkeen, jolloin alamiskaasujen oistaminen sylinteristä ei taahdu täydellisesti oistovaiheen sykliaikana ja täten jäännöskaasut huonontavat seuraavan työkierron volymetrista sylinteritäytöstä ja huonontavat alamisen termodynaamista hyötysuhdetta. Palamisreaktioiden eätäydellisyys so. reaktiot jäävät Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
9 uolitiehen etenkin aisunnan aikana aiheuttaen kaasun alamislämötilan alenemisen ja tästä johtuen termodynaamisen hyötysuhteen ienenemisen. yyillisiä dissosiaatioreaktioita ovat: CO H O CO O H O (.5.9) Polttoaineen ja ilman eätäydellinen sekoittuminen aiheuttaa jälkialamista, joka uolestaan huonontaa termodynaamista hyötysuhdetta. Männän renkaiden ja sylinterin uutteellinen tiiveys ns. ohivuoto aiheuttaa häviöitä. Palamisrosessin aikana työaineen ominaislämökaasiteetit eivät ole vakioita, ne kasvavat lämötilan kasvaessa, koska kaasun ominaislämökaasiteetti c v on eälineaarinen lämötilan funktio seuraavasti dq cv m d v (.5.0) Q Δ c m (.. ) ällöin rosessiin tuotua lämöenergiaa vastaava alamisen loulämötila jää alhaisemmaksi ja täten myös termodynaaminen hyötysuhde kuin käytettäessä ominaislämökaasiteetin lämötilasta riiumatonta vakioarvoa, kuva 5. v odettakoon, että ottotyökierrossa olttoaineen ja ilman seoksessa ominaislämökaasiteetti on korkeami kuin ilman. ämä johtaa alamisrosessin loulämötilan alenemiseen ja ienentää termo-dynaamista hyötysuhdetta. Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
0 d,5,5 0,5 cv 0 0 0,5,5,5 Kuva 5. Kaasun alamislämötilan riiuvuus kaasun ominaislämövakiosta..7.mäntämoottoreiden kitkahäviöiden arviointi Kitkahäviöiden arviointiin on alan lähteissä suuntaa antavia ennustekaavoja. /Heywood;.79-78/. Laakerien tai liukuintojen kitkatyö määritellään kitkaarien lukumäärän (i), kitkavoiman F f, i ja rotaatiomatkan ()dx erusteella täyden syklin aikana seuraavasti W F ( )dx (.7.) f, i f, i Kitkavoimakomonentit kuten rajakitka, hydrodynaaminen kitka sekä turbulenssihäviöt ovat noeudesta riiuvaisia joko lineaarisesti tai noeuden neliössä tai eräänlainen kombinaatio eri kitkakomonenteista. Hydrodynaamisen voitelun kitka ja turbulenssihäviöt ovat vahvemmin riiuvaisia männän noeudesta kuin moottorin yörimisnoeudesta. Esimerkiksi männän helman ja renkaiden kitka sekä ainehäviö korreloivat imu- ja akoventtiilien kaasuvirtaukseen. Perinteisissä moottoreissa kitkahäviöt on kuvattu ainottaen kamiakselin yörimisnoeudesta riiuvuutta kuin männän noeuden funktiona ja lukuisten muuttujien avulla. Yleiset kuvaukset on määritetty moottorin yörimisnoeuden ja männän noeuden sekä moottorityyille ominaisten vakioiden mukaan W tf (tfme) C CN CN (.7.) missä C,C,C ovat vakioita N=moottorin yörimisnoeus, kierrosluku/rm MEP=mean effective ressure, tehollinen keskiaine Kiinäsytytysmoottoreille (SI)moottoriarametrien ollessa: -t, i=, i i=85-000cm, kaasulään ollessa kokonaan auki. ällöin tehollisen kitkaaineen (tfme) yhtälö on muotoa Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
N N tfme(bar) 0,970,5 0,05 (.7.) 000 000 Esimerkiksi henkilöauton moottorissa kitkaaineen alentaminen 0 kpa vähentää olttoaineen kulutusta n. %. Dieselmoottoreissa kokonaiskitka määritetään motoring testillä. Suoraruiskutuksella(DI), yörrekammiolla ja eäsuoralla ruiskutuksella varustetuissa(idi) -6-sylinterisissä moottoreissa, sylinteriorauksen ollessa 00-0 mm. ehollinen kitkaaine määritetään kaavalla missä Motoring me(kpa) C 8 N 000 0, S (.7.) S = männän noeus (m/s) C =75 kpa, suoraruiskutus(di) C =0 kpa, yörrekammio, eäsuoraruiskutus(idi) Kuvassa 6 on esitetty henkilöautojen dieselmoottoreiden(idi) tehollinen kitkaainekuvaaja yörimisnoeuden funktiona. /kpa yhtälö (.7.) 00 mittausdata 0 000 n/rm Kuva 6. ehollinen kitkaaine moottorin yörimisnoeuden funktiona. Pyörrekammiolla, eäsuoralla ruiskutuksella(idi)varustetuissa dieselmoottoreissa, sylinterioraus on alueessa D=7-79mmm. Kuvassa 7 on esitetty tehollisen kitkaaineen komonentit a) -sylinterisessä ottomoottorissa (SI) ja b) keskimääräinen tehollinen kitkaaine - ja 6- sylinterisissä suoraruiskutusdieselmoottoreissa (DI). Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
Kuva 7. ehollisen kitkaaineen komonentit a) sylinterisessä ottomoottorissa(si)ja b)-ja 6-sylinterisissä suoraruiskutusdiesel-moottoreissa (DI). Kuvasta 7 a) havaitaan, että ottomoottorissa n. 80% kitkavastuksista muodostavat männänrenkaiden ja sylinterin seinämän(n.50%), kamiakselin laakereiden ja venttiilimekanismien kitkavastukset. Öljyumun ja jäähdytysvesiumun kitkavastukset ovat n. 0% kokonaiskitkavastuksista(n. 0kPa) moottorin yörimisnoeuden olleessa n. 000rm. Dieselmoottoreiden kokonaiskitkavastukset ovat suuremmat johtuen suuremmista sylinteriaineista. Kaasun uristus, kaasunainekuormitus ja venttiilimekanismien kitkavastukset ovat n. 0% ja umaushäviöt n. 0%, yörimisnoeuden ollessa hieman alle 000 rm. Kuvassa 8 on esitetty ottomoottorin umaushäviödiagrammi koordinaatistossa. Kuristushäviötä edustaa viivoitettu ( e- i)i ala sekä seoksen uristamiseen vaadittava työ imuvaiheessa, akokaasujen oistamiseen vaadittava työ oistotahdin aikana ja sylinteritäytökseen tehty työ imutahdin aikana. Kuvassa 9 on esitetty ottomoottorin umaus- ja kitkahäviöiden osuus tehollisen kitkaaineen avulla sekä mekaanisen hyötysuhteen riiuvuus moottorin kuormituksesta ja kuvassa 0 ottomoottoreiden kitkahäviöt eri arametreilla tehollisena keskiaineena(fme), yörimisnoeudella 500rm tehollinen kitkaaine on n. bar. Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
Kuva 8. Ottomoottorin häviöt seoksen muodostuksessa ja kaasunvaihdossa. Kuva 9. Moottorin kuormitusasteen vaikutus kitkahäviöihin ja mekaanisen hyötysuhteen suuruuteen. Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
(.7.) Kuva 0. Ottomoottoreiden tehollinen kitkaaine(fme),viiden moottorin otannassa, eri laakeriarametrein(l,b) ja iskutilavuuden ollessa d=85-00cm, täydellä kaasulla(wide-oen throttle) yörimisnoeuden funktiona. ehollista kitkaainetta korreloiva yhtälö(.7.). Kuvassa on esitetty männän konstruktio, osat ja osien nimet. Kuva. Männän konstruktio, osat ja nimitykset. Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06
5 Lähdekirjallisuus Heywood, John B.,Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw-Hill Book Comany. 988. Merker, G.P., Stiesch,G., echnische erbrennung. Motorische erbrennung. B.G.eubner Stuttgart, Leizig 999. Dietzel,F., Wagner, W., echnische Wärmelehre. ogel-buchverlag. 7. Auflage. 998. Bosch. Stone, R., Introduction to. 99. Second Edition. SAE. Stone, R, Introduction to. hird Edition.SAE. Heisler, H., ehicle and Engine echnology. Second Edition. 999. Oxford.UK. Basshuysen&Schäfer.; Internal Combustion Engine Handbook. SAE. 00. Kevin L. Hoag; ehicular Engine Design. SAE International. Harbound 006. Coublised with Sringer-erlag Kraftfahrtechnisches aschenbuch.. Auflage. Bosch. Pitkänen, J., Polttomootoritekniikan erusteet. eknillinen korkeakoulu. Otaniemi. 999. Oulu University Deartment of Mechanical Engineering Mauri Haataja 06