VI. ZAGADNIENIA:

1.Uwagi ogólne dotyczące obiegów teoretycznych tł. silników spalinowych.

2.Założenia do obiegów teoretycznych .

3.Obiegi teoretyczne Carnota i Joule' a .

4. Obieg teoretyczny Otto - charakterystyczne wielkości w obiegu, sprawność .

5. Obieg teoretyczny Diesla - charakterystyczne wielkości w obiegu, sprawność .

6. Obieg teoretyczny Sabathe' a - charakterystyczne wielkości w obiegu, sprawność .

7. Analiza sprawności obiegów teoretycznych.

LITERATURA : J.A. Wajand - "SILNIKI O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM"

S. Ciesielski - "OKRĘTOWE SILNIKI SPALINOWE" cz. I
ZAGADNIENIA :
=============

1. UWAGI OGÓLNE DOTYCZĄCE OBIEGÓW TEORETYCZNYCH TŁOKOWYCH SILNIKÓW

SPALINOWYCH .

Obiegi teoretyczne są to obiegi, które odwzorowują procesy zachodzące w rzeczywistym silniku (w czasie

zamiany energii chemicznej paliwa na energię mechaniczną) w warunkach idealnych przemian termodynamicznych .

Umożliwiają one wstępną ocenę i przeprowadzenie analizy niektórych parametrów projektowanego silnika oraz

porównanie idealnego i rzeczywistego przebiegu przemiany energii cieplnej na mechaniczną w silniku.

Parametry, które są przedmiotem ww. analizy to przede wszystkim :

- sprawność teoretyczna -

η

t

- wyrażająca się stosunkiem ilości ciepła zamienionego na pracę do

ilości ciepła dostarczonego do obiegu, tj. określająca ile procent

z dostarczonego ciepła wykorzystana jest w obiegu teoretycznym ;

- średnie ciśnienie

teoretyczne

- p

t

- wyrażające się zastępczym stałym ciśnieniem, które wytwarza taką

samą pracę teoretyczną w czasie rozprężania, jak zmienne ciśnienie

wynikające z postaci całego obiegu;

- najwyższe ciśnienie

obiegu

- p

max

- najwyższa temperatura

obiegu

- T

max

- -

2

2. ZAŁOŻENIA DO OBIEGÓW TEORETYCZNYCH TŁOKOWYCH SILNIKÓW SPALINOWYCH .

Obiegi teoretyczne są rozpatrywane przy następujących założeniach :

1

Masa czynnika w przestrzeni roboczej czasie obiegu jest stała

2

Sprężanie i rozprężanie odbywa się izentropowo

3

Ciepło zostaje dostarczone do czynnika poprzez izochoryczne lub izobaryczne podgrzewanie, a
odprowadzone poprzez izochoryczne oziębianie

4

Skład chemiczny czynnika nie zmienia się

5

Czynnikiem roboczym jest gaz doskonały

6

Przemiany obiegów teoretycznych odbywają się nieskończenie powoli (quasistatycznie), wobec
czego nie występują straty związane z przepływem czynnika

3. OBIEGI TEORETYCZNE CARNOTA I JOULE' a .
-------------------------------------------------------------------

Każdy obieg teoretyczny, który miałby odnosić się do tłokowego silnika spalinowego, musi być rozważany w

ramach pewnych ograniczeń, narzuconych przez warunki otoczenia oraz konstrukcję silnika (np. zastosowane materiały)

. Ograniczenia te to :

a)

ciśnienie otoczenie – przeciętnie ok. 0,1 MPa

b)

temperatura otoczenia – przeciętnie ok. 290 K

c)

najwyższe ciśnienie, które są w stanie przejąć elementy silnika bez obawy ich uszkodzenia – np. 25 MPa

d)

najwyższa temperatura, do której mogą być podgrzane części silnika bez obawy zmniejszenia ich

wytrzymałości poniżej określonych granic

Z teorii maszyn cieplnych wynika, że obiegiem o największej sprawności teoretycznej jest obieg Carnota. (rys. 1)

Jednak jako obieg teoretyczny tłokowych silników spalinowych nie ma on zastosowania, gdyż w przyjętych warunkach

ograniczeń (a-d) nie można narysować obiegu Carnota 1 – 2 – 3 – 4 , z następujących powodów :

realizując izentropowe sprężanie od p.1 do p.2 (a więc niejako „wykorzystując” pełen zakres temperatur -

izentropa sprężania łączy izotermy T

min

oraz T

max

) przekroczone zostaje maksymalne (ze względu na

obciążenie mechaniczne elementów silnika) dopuszczalne ciśnienie - p

max

ograniczając izentropę sprężania do linii 1 – 2` widać z kolei, że zakres temperatur zostaje ograniczony od

góry będąc nie w pełni wykorzystanym (można by, bez obawy przegrzania elementów silnika realizować

dalsze sprężanie)

- -

3

realizacja izotermicznego odprowadzenia ciepła (przemiana 4 - 1 ) w przyjętych warunkach ograniczeń,

wymaga z kolei aby część przemiany izentropowego rozprężania czynnika odbywała się przy ciśnieniu

niższym od ciśnienia otoczenia, co w odniesieniu do silnika rzeczywistego oznacza stratę części suwu

rozprężania – na pokonanie sił pochodzących od ciśnienia otoczenia oraz usuwanie produktów spalania do

bliżej nieokreślonego środowiska, w którym panuje ciśnienie niższe od ciśnienia atmosferycznego

2

1

4

3

T

max

T

min

p >>

p

max

p =

p

max

p <

p

ot

2`

4`

T < T

max

T

s

p =

p

ot

Rys. 1 Obieg Carnota

Jeżeli chcielibyśmy w przyjęte ograniczenia wrysować jak najsprawniejszy obieg, byłby to obieg Joule'a

składający się z następujących przemian :

1 - 2 - izentropowe sprężanie

2 - 3 - izobaryczne doprowadzenie ciepła

3 - 4 - izentropowe rozprężanie

4 - 1 - izobaryczne odprowadzenie ciepła

Jednak i on nie znalazł zastosowania w analizie przemiany ciepła na pracę w tłokowym silniku

spalinowym, gdyż izobaryczne odprowadzanie ciepła wymagałoby zbudowania silnika o bardzo długim skoku,

w którym praca równoważna stratom mechanicznym byłaby większa od zysku pracy teoretycznej

wynikającego z takiego sposobu odprowadzenia ciepła (rys.2)

1 – 2 izentropowe sprężanie

2 – 3 izotermiczne doprowadzenie

ciepła

3 – 4 izentropowe rozprężanie

4 – 1 izotermiczne odprowadzenie

ciepła

- -

4

2 `

1

4 `

3

T

m a x

T

m i n

p =

p

ma

x

2

4

T

s

p

=

p

ot

V

k

V

1 c

V

2 c

2

3

1

4 `

4

p

o t

p

m a x

p

V

Rys. 2 Obieg Joule`a

1

T

max

T

min

2

4

T

s

3

V

1

= V

4

= c o

n s t

V

2

= V

3

= c

o n

s t

V

k

V

c

2

3

1

4

p

ot

p

max

p

V

Rys. 3 Obieg Otto (z doprowadzeniem ciepła przy stałej objętości)

- -

5

1

T

max

T

min

2

4

T

s

3

V

1

= V

4

= c

o n

s t

p

2

= p

3

= c o

n s t

V

k

V

c

2

3

1

4

p

ot

p

max

p

V

Rys. 4 Obieg Diesla (z doprowadzeniem ciepła przy stałym ciśnieniu)