راهنمای کاربری موتور بنزینی )سیکل اتو(

راهنمای کاربری موتور بنزینی )سیکل اتو(

هدف آزمایش : شناخت و بررسی عملکرد موتور بنزینی تئوری آزمایش: موتورهای احتراق داخلی امروزه به طور وسیع برای ایجاد قدرت بکار می روند. ژنراتورهای کوچک پمپ های مخلوط کن های سیمان و... از موارد استفاده این موتورها می باشد. یک موتور احتراق داخلی انرژی شیمیایی سوخت های کربنی را به انرژی مکانیکی تبدیل می نمایند. در تمامی موتورهای بنزینی گازوئیلی و... این عمل انجام می گیرد. مخلوط هوا و بنزین در داخل سیلندر موتور بنزینی متراکم شده سپس توسط جرقه شمع محترق می شود. چهار مرحله مکش تراکم احتراق و خروج گاز در شکل 2 نمایش داده شده است. شکل 1 مراحل احتراق سوخت در موتورهای احتراق داخلی یکی از تست های مربوط به موتورها تعیین چگونگی تغییرات گشتاور با سرعت موتور می باشد. در یک موتور قدرت و کار ایجاد شده به واسطه سوختن کامل یک سوخت می بایست مقدار هوای کافی در آن قرار داده شود. شدت سوخت مصرف شده بستگی به ضریب R دارد: R = m a/m f ) 1( که )Stoichiometric ratio( R برابر با مقدار ثابت 14.8 می باشد.

هرگاه احتراق کامل را در نظر بگیریم مقدار حرارت ایجاد شده از سوخت معادل با ارزش حرارتی آن H است که مقدار آن برای بنزین 42000 KJ Kg و برای گازوئیل 39000 KJ Kg می باشد. در شکل 1 یک سیکل اتو )برای حالت ایده آل( نمایش داده شده است. بین دو نقطه 1 و 2 مخلوط هوا و بنزین وارد سیلندر می شود. r = V 1 متراکم می شود. بین دو نقطه 2 و 1 هوا به صورت آیزنتروپیک با نسبت تراکم V 2 بین دو نقطه 1 و 3 حرارت در حجم ثابت به سیستم اضافه می شود. بین دو نقطه 3 و 3 عمل انبساط صورت می گیرد. بین دو نقطه 3 و 2 حرارت در حجم از سیستم خارج می شود. ب نی دو نقطه 2 و 1 محصوالت احتراق توسط اگزوز از سیستم خارج می شوند. شکل 2 نمایش سیکل اتو برای حالت ایده آل بازده حرارتی به صورت کار انجام شده در سیکل تقسیم بر حرارت داده شده محاسبه می گردد.

محاسبه توان تلف شده اگزوز و ظرفیت گرمایی ویژه دود: برای محاسبه حرارت از بین رفته توسط محصوالت اگزوز )دود( و ظرفیت گرمایی ویژه آن می توان با اندازه گیری دمای ورودی وخروجی به اگزوز و همچنین اندازه گیری دبی آب هوا و سوخت و محاسبه مقدار تغییر دمای آب و دود مطابق روابط زیر اقدام نمود: Q p = m sc ps ΔT Q w = m wc pw ΔΘ m s = m a + m f ) 2( ) 3( ) 4( که در اینجا m a m w m s و m f به ترتیب دبی جرمی دود آب هوا و سوخت C ps آب ΔT و ΔΘ تغییر دمای دود و آب و Q p Q w و برای محاسبه دبی جرمی سوخت و هوا به صورت زیر عمل می کنیم: و C pw ظرفیت گرمایی ویژه دود و گرمای منتقل شده محصوالت احتراق )دود( و آب می باشند. Q f = (7.85 10 5 )(ΔX) Δt m f = ρ f. Q f ) 5( ) 6( Q a = KA 2 g(l 1 l 2 ) m a = ρ a. Q a 1 ( A 2 A1 )2 ) 7( ) 8( Q و Q a به ترتیب دبی حجمی سوخت و هوا و m f و m a دبی جرمی سوخت و هوا ΔX فاصله بین دو سطح که در اینجا f بنزین در لوله سوخت در فاصله زمانی Δt l 1 و l 2 سطح آب روی خط کش اندازه گیری دبی هوا مساحت سطح مقطع مجرای هوا و اریفیس و K ضریب تخلیه اریفیس می باشد. به ترتیب A 2 و A 1 با مساوی قرار دادن حرارت تلف شده محصوالت احتراق ( p Q( و حرارت منتقل شده به آب ( w Q( در واحد زمان در مبدل حرارتی شکل 3 و با اندازه گیری های ذکر شده می توان مقدار گرمای تلف شده اگزوز ( w Q( lost = Q p = Q و ظرفیت گرمایی ویژه دود ( ps C( را بدست آورد.

ورودی آب خروجی دود ورودی دود آب خروجی شکل 3 مبدل حرارتی دود روابط مربوطه: P mep فشار متوسط موثر (Kpa) : فشار ثابتی که اگر موتور در همان تغییر حجم کار کند همان مقدار کار را ارائه کند. P mep = Pn R V s N 103 )2 ) 9( rpm دور موتور : N kw توان موتور بر حسب P: V s : حجم جابجایی n: R تعداد دور در هر سیکل موتور که برای موتور تک سیلندر برابر 2 است. )g/kw. )h یا )mg/j( مصرف سوخت ویژه :SFC )1 SFC = m f /P ) 11( )g/h( یا )g/s( دبی جرمی سوخت m: f )kw( توان خروجی P: Sfc برای موتورهای بنزینی در حدود 270 g/kw. h و برای دیزلی در حدود 200 g/kw. h می باشد. η m = P/Q LHV. m f η: f راندمان کلی دستگاه )3 ) 11(

3( :AF نسبت هوا به سوخت AF = m a /m f ) 12( FA = m f /m a m: a دبی جرمی هوا m: f دبی جرمی سوخت 3( :FA نسبت سوخت به هوا ) 13( محاسبه φ و ارتباط آن با آالینده های خروجی: نسبت سوخت به هوای تئوری )استوکیومتریک( از واکنش احتراق ایده آل بدست می آید و آن نسبت سوخت به هوا در واکنشی است که هوا به مقدار کافی بوده و تمام سوخت به دی اکسید کربن و آب تبدیل می شود. برای یک سوخت هیدروکربنی واکنش احتراق ایده آل به صورت زیر است: C a H b + (a + b ). (O 4 2 + 3.77N 2 ) = aco 2 + b (H 2 2O) + 3.77 (a + b ) N 4 2 که مقدار نیتروژن در پایان واکنش همان مقدار اولیه باقی خواهد ماند. درصورتیکه مقدار هوا کمتر یا بیشتر از مقدار تئوری باشد در محصوالت احتراق امکان وجود آالینده هایی نظیر NO x Co و... وجود دارد در واکنش تئوری )استوکیومتریک( مقدار هوا به سوخت با توجه به واکنش مذکور به صورت زیر بدست می آید. AF st = (1+y 4 )(32+3.77 28.16) 12.011+y = 34.54(4+y) 12.011+y ) 14( y = b/a در واکنش واقعی هیچگاه شرایط ایده آل وجود نخواهد داشت و بنابراین نسبت سوخت به هوای واقعی با مقدار استوکیومتری متفاوت خواهد بود. نسبت سوخت به هوای واقعی به نسبت سوخت به هوای تئوری را با نماد φ نشان می دهند و عکس آن رابا عدد λ نشان می دهند. φ = FA exp /FA st ) 15( که بنابراین φ در حالت ایده آل برابر 2 و در عمل موارد کمتر یا بیشتر از عدد 2 می باشد. بسیاری از نمودارهای مربوط به موتورهای احتراق داخلی بر اساس عدد φ یا λ رسم می شوند که این اعداد نشان دهنده رقیق یا غنی بودن سوخت می باشند.

با توجه به عدد φ می توان مقدار آالینده های خروجی موتور را تا حدودی محاسبه نمود. در این آزمایش بر اساس عدد φ تنها در خصوص نوع مواد خروجی اظهار نظر می شود. بر اساس جدول زیر نوع آالینده ها در محصوالت احتراق به صورت زیر است: محصول یا آالینده CO 2 H 2 O CO H 2 O 2 N 2 φ < 1 φ > 1 جدول 1 نوع آالینده ها در محصوالت احتراق برحسب φ روش آزمایش: قبل از روشن کردن موتور با قسمتهای مختلف موتور و سنسورها و وسایل اندازه گیری مربوط به آزمایش آشنا شوید. آب خروجی اگزوز را اندکی باز کرده و انتهای شیلنگ خروجی را در فاضالب خروجی قرار دهید. دقت کنید دبی آب بسیار کم باشد )چرا ( و پس از آن شیر آب را دست نزنید. با استفاده از یک استوانه مدرج و زمان سنج دبی حجمی آب خروجی از شیر را اندازه گیری کنید. بر این اساس دبی جرمی را محاسبه کنید. برق اصلی و برق موتور را وصل کرده و با توجه به دستور العمل دستگاه موتور را روشن کنید. )از روشن بودن کلید موتور اطمینان حاصل کنید.( در یک دور مشخص و توان خروجی ثابت با استفاده از استوانه اندازه گیری سوخت و زمان سنج میزان دبی حجمی سوخت را اندازه گیری کنید. از اختالف فشار ناشی از اریفیس در مجرای هوا و با استفاده از روابط 5 و 1 دبی هوا را اندازه گیری کنید. در حالت تعادل دمای دود ورودی و خروجی مبدل حرارتی و دمای ورودی و خروجی آب را ثبت نمایید. همچنین توان مصرفی و ولتاژ شدت جریان و دور موتور را ثبت کنید. -2-3 -3-5 -5

-9 با تغییر توان خروجی بند های مراحل 5 تا 1 را مجددا انجام دهید. این کار را حداقل 3 مرتبه انجام دهید. 21- در پایان آزمایش شیر آب را بسته و کلید موتور را در حالت خاموش قرار دهید. خواسته های آزمایش: با فرض اینکه سوخت اصلی مصرف شده توسط موتور C 8 H 18 است جدول 1 را کامل کنید. پس از بدست آوردن φ در هر مرحله در خصوص محصوالت خروجی اظهار نظر کنید. در دور های مختلف منحنی مصرف سوخت ویژه AF exp ظرفیت گرمایی دود و دمای دود قبل از مبدل را بر حسب دور موتور رسم کنید. منحنی توان خروجی موتور )توان مصرف کننده( توان مصرفی توان تلف شده از اگزوز و راندمان کلی دستگاه را بر حسب دور موتور نشان دهید. -2-3 -3 سواالت تكمیلی: ارزش حرارتی باال و پایین راتعریف نمایید. در نمودارهای گشتاور و توان موتور کدام یک زودتر به حداکثر مقدار خود می رسد و چرا -2 برخی اطالعات مورد نیاز برای سوخت بنزین C: 8 H 18 ρ f = 712 Kg/m 3 Q LHV = 42000 KJ/Kg AF st = 15.08 FA st = 0.0663 C ps = 2.15 KJ/Kg. K

مرحله 2 1 3 3 1 P (kw) توان خروجی N (rpm) دور موتور m a (kg/sec) دبی جرمی هوا m f (kg/sec) دبی جرمی سوخت Θ 1 (K) دمای دود قبل از مبدل حرارتی Q LHV. m f (kw) توان ورودی Q lost (kw) توان تلف شده اگزوز C ps ( KJ Kg. K ) ظرفیت گرمایی ویژه دود AF exp نسبت هوا به سوخت جرمی φ SFC (kw) مصرف سوخت ویژه η m راندمان کلی دستگاه جدول 2 نتایج آزمایش