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 : η
- sprawność teoretyczna -
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
- pt - 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
- pmax
- najwyższa temperatura
obiegu
- Tmax
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
Ciepło zostaje dostarczone do czynnika poprzez izochoryczne lub izobaryczne podgrzewanie, a 3
odprowadzone poprzez izochoryczne oziębianie
4
Skład chemiczny czynnika nie zmienia się
5
Czynnikiem roboczym jest gaz doskonały
Przemiany obiegów teoretycznych odbywają się nieskończenie powoli (quasistatycznie), wobec 6
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 Tmin oraz Tmax) przekroczone zostaje maksymalne (ze względu na obciążenie mechaniczne elementów silnika) dopuszczalne ciśnienie - pmax
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 T
p >> pmax
1 – 2 izentropowe sprężanie
2
3
Tmax
2 – 3 izotermiczne doprowadzenie
p = pmax
ciepła
2`
T < Tmax
3 – 4 izentropowe rozprężanie
4 – 1 izotermiczne odprowadzenie
ciepła
4`
p = pot
p < p ot
1
4
Tmin
s
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)
4 -
T
p
2
3
2 `
3
p
T
m a x
m a x
max
p
p =
4
2
p = pot
4 `
4
p o t
1
4 `
T
1
m i n
s
V
V
V
k
1 c
V 2 c
Rys. 2 Obieg Jouleà
T
p
3
3
p
T
max
max
2
V 2 = V 3 = c o n s t
2
4
4
V 1 = V 4 = c o n s t
pot
1
1
Tmin
s
V
V
V
k
c
Rys. 3 Obieg Otto (z doprowadzeniem ciepła przy stałej objętości)
5 -
T
p
2
3
3
p
T
max
max
p 2 = p 3 = c o n s t
2
4
V 1 = V 4 = c o n s t
4
pot
1
1
Tmin
s
V
V
V
k
c
Rys. 4 Obieg Diesla (z doprowadzeniem ciepła przy stałym ciśnieniu)