Obiegi cieplne silników spalinowych

Procesy:

1.

Napełnianie komory roboczej świeżym ładunkiem – dolot.

2.

Sprężanie ładunku.

3.

Zapłon i spalanie paliwa.

4.

Rozprężanie czynnika (spalin).

5.

Usuwanie spalin z komory roboczej (wylot).

Proces wymiany ładunku – usuwanie spalin z cylindra i napełnianie
cylindra świeżym ładunkiem.

Realizacja obiegu pracy silnika:

2 suwy – silnik dwusuwowy

4 suwy – silnik czterosuwowy

2

Silnik czterosuwowy

Wymiana ładunku następuje w dwóch całych suwach, osobnych dla
dolotu i wylotu.

3

4

Silnik dwusuwowy

Wymiana ładunku następuje w części suwów sprężania

i rozprężania. Procesy napełniania i usuwania spalin następują

jednocześnie w okolicy DZP – jest to przepłukanie cylindra.

Silniki dwusuwowe

–

ze wstępnym sprężaniem ładunku w skrzyni korbowej,

–

ze wstępnym sprężaniem ładunku w sprężarce wyporowej
(np. Rootsa).

5

6

7

8

Teoretyczne obiegi ciepne

Obieg cieplny – przemiany termodynamiczne na płaszczyznach:
–

pracy: (p – V), (p – v),

–

ciepła: (T – S), (T – s)

wzdłuż zamkniętej linii.

p – ciśnienie; V – objętość cylindra

T – temperatura bezwzględna; S - entropia

v – objętość właściwa

µ

V

v

=

µµµµ

– masa ładunku

w cylindrze

s – entropia właściwa

µ

=

S

s

9

Entropia

Entropia – miara nieokreśloności, chaotyczności, stopnia nieupo-
rządkowania; termodynamiczna funkcja stanu, określająca zorien-
towanie przebiegu procesów spontanicznych (samorzutnych) w odo-
sobnionym układzie termodynamicznym; wielkość ekstensywna.

T

q

δ

dS

=

δδδδ

– forma Pfaffa – rodzaj liniowej formy różniczkowej, z której

całka nie jest określona, ponieważ zależy od drogi całkowania;
w szczególności całka po drodze zamkniętej nie musi równać się 0.

0

q

δ

≠

∫

10

Obieg silnika cieplnego – obieg zgodnie z ruchem wskazówek
zegara.

Obieg pompy cieplnej – obieg przeciwnie do ruchu wskazówek
zegara.

11

V

T

S

V

1

V

2

S

a

S

b

Teoretyczna

praca obiegu

Teoretyczna

praca obiegu

1

2

a

b

Praca sprężania

Ciepło

odprowadzone

Praca rozprężania

Ciepło

doprowadzone

p

12

Ciepło doprowadzone do obiegu

∫

=

=

b

a

S

S

b

,

a

TdS

Q

Q

Ciepło odprowadzone z obiegu

∫

=

=

a

b

S

S

a

,

b

0

TdS

Q

Q

Praca sprężania

∫

=

1

2

V

V

s

pdV

L

13

Praca rozprężania

∫

=

2

1

V

V

r

pdV

L

Teoretyczna praca obiegu

s

r

t

L

L

L

−

=

Ciepło zamienione na
teoretyczną pracę obiegu

t

0

t

L

Q

Q

Q

=

−

=

Sprawność cieplna obiegu

Q

Q

Q

L

Q

Q

Q

t

t

0

t

=

=

−

=

η

14

Temperatura średnia względem
entropii od punktu a do punktu b

∫

∆

=

b

a

S

S

b

,

a

)

b

,

a

(

AV

dS

T

S

1

T

Temperatura średnia względem
entropii od punktu b do punktu a

∫

∆

=

b

b

S

S

a

,

b

)

a

,

b

(

AV

dS

T

S

1

T

a

b

S

S

S

−

=

∆

S

T

Q

)

b

,

a

(

AV

∆

⋅

=

S

T

Q

)

a

,

b

(

AV

0

∆

⋅

=

)

b

,

a

(

AV

AV

)

b

,

a

(

AV

)

a

,

b

(

AV

t

T

T

T

T

1

∆

=

−

=

η

)

a

,

b

(

AV

)

b

,

a

(

AV

AV

T

T

T

−

=

∆

15

Rzeczywisty obieg cieplny tłokowego silnika czterosuwowego

Zamknięty wykres indykatorowy

OZD – otwarcie zaworu
dolotowego
ZZD – zamknięcie zaworu
dolotowego
OZW – otwarcie zaworu
wylotowego
ZZW – zamknięcie zaworu
wylotowego
IS – inicjacja spalania
UKS – umowny koniec
spalania

16

0,01

0,1

1

10

0,1

1

10

V

w

p

g

[

M

P

a

]

UKS

IS

OZW

ZZD

OZD

ZZD

17

Otwarty wykres indykatorowy

0

1

2

3

4

5

6

-360

-270

-180

-90

0

90

180

270

360

α [

α [

α [

α [

οοοο

OWK

]]]]

p

g

[

M

P

a

]

GZP

GZP

DZP

DZP

OZD

ZZD

OZW

ZZW

IS

UKS

GZP

p

g max

18

Obieg cieplny
silnika doładowanego

19

Zamknięty wykres indykatorowy
silnika dwusuwowego
ze wstępnym sprężaniem
w skrzyni korbowej

20

Teoretyczne obiegi cieplne

Obieg Carnota

21

Obieg Joule’a (silnika powietrznego)

22

Obieg Otta

23

Stopień sprężania
(izentropowego)

2

1

s

V

V

=

ε

Stopień rozprężania
(izentropowego)

3

4

r

V

V

=

ε

r

s

ε

=

ε

Współczynnik izochorycznego
przyrostu ciśnienia

2

3

p

p

=

α

24

Obieg Diesla

25

Stopień sprężania
(izentropowego)

2

1

s

V

V

=

ε

Stopień rozprężania
(izentropowego)

3

4

r

V

V

=

ε

Współczynnik izobarycznego
przyrostu objętości
(współczynnik obciążenia silnika)

2

3

V

V

=

ϕ

r

s

ε

⋅

ϕ

=

ε

26

Obieg Sabathégo (Seiligera, mieszany)

27

Stopień sprężania
(izentropowego)

2

1

s

V

V

=

ε

Stopień rozprężania
(izentropowego)

4

5

r

V

V

=

ε

Współczynnik izochorycznego
przyrostu ciśnienia

2

3

p

p

=

α

Współczynnik izobarycznego
przyrostu objętości

3

4

V

V

=

ϕ

r

s

ε

⋅

ϕ

=

ε

28

Porównanie obiegów Otta i Diesla o wspólnej izentropie sprężania

29

Porównanie obiegów Otta i Diesla o wspólnej izentropie rozprężania

30

Sprawność cieplna obiegów teoretycznych

Q

L

Q

Q

Q

t

0

t

=

−

=

η

Obieg Otta

k

1

t

1

−

ε

−

=

η

Obieg Diesla

1

1

k

1

k

k

1

s

t

−

ϕ

−

ϕ

⋅

ε

−

=

η

−

Obieg Sabathégo

(

)

1

k

1

1

1

k

k

1

s

t

−

ϕ

⋅

α

⋅

+

−

α

−

ϕ

⋅

α

⋅

ε

−

=

η

−

31

Przy stałym stopniu sprężania

Diesel

t

Sabathe

t

Otto

t

η

≥

η

≥

η

0

0,2

0,4

0,6

0,8

0

5

10

15

20

25

30

εεεε

ηηηη

t

32

Porównawczy obieg cieplny tłokowych silników spalinowych

Zmodyfikowany obieg Sabathégo – zamiast izentrop – politropy.

Przemiana politropowa – przemiana gazu doskonałego przy
zachowaniu stałego ciepła właściwego.

const

dT

q

c

=

δ

=

Wykładnik politropy

v

p

c

c

c

c

m

−

−

=

Ciepło właściwe

1

m

k

m

k

c

1

m

k

m

c

c

p

v

−

−

⋅

=

−

−

⋅

=

33

Równanie stanu gazu doskonałego

T

R

V

p

⋅

⋅

µ

=

⋅

µµµµ

– masa czynnika

R –stała gazowa

Równania politropy

const

V

p

m

=

⋅

const

V

T

1

m

=

⋅

−

const

T

p

m

1

m

=

⋅

−

34

Szczególne politropy

Izochora

v

c

c

=

m – nieoznaczone

Izoterma

1

m

=

c – nieoznaczone

Izobara

p

c

c

=

0

m

=

Izentropa

0

c

=

k

c

c

m

v

p

=

=

35

36

Sprężanie

37

Rozprężanie

38

Porównawczy obieg cieplny silnika spalinowego

39

1. Początek suwu sprężania

p

1

[MPa]

ZI

0,08

Silnik niedoładowany

ZS

0,085

Silnik doładowany

> 0,1

(

)

ZI

ZS

K

360

320

T

1

÷

≈

40

2. Sprężanie

m

1

ZI

1,35 ÷ 1,37

ZS

1,3 ÷ 1,35

1

m

1

2

p

p

ε

⋅

=

1

m

1

2

1

T

T

−

ε

⋅

=

p

2

[MPa]

T

2

[K]

ZI

1,3 ÷ 2

670 ÷ 800

ZS

3,5 ÷ 5

800 ÷ 1000

ZS doładowane

4,5 ÷ 9

900 ÷ 1100

41

3. Izochoryczny przyrost ciśnienia

max

3

p

p

=

p

max

[MPa]

ZI

4,5 ÷ 7,5

ZS – DI

7,5 ÷ 9

ZS – IDI

6,5 ÷ 8

ZS doładowane

÷ 11

2

3

2

3

p

p

T

T

⋅

=

42

4. Izobaryczny przyrost objętości

ZI

≈ 1,2

3

4

V

V

=

ϕ

ZS

≈ 1,4

3

4

p

p

=

3

4

V

V

⋅

ϕ

=

3

3

3

4

4

T

T

V

V

T

⋅

ϕ

=

⋅

=

T

4

[K]

ZI

2500 ÷ 2800

ZS

1900 ÷ 2500

43

5. Rozprężanie

m

2

ZI

1,22 ÷ 1,26

ZS

1,24 ÷ 1,28

ϕ

ε

=

⋅

=

=

ε

4

3

3

5

4

5

r

V

V

V

V

V

V

2

2

m

4

m

r

4

5

p

p

p

−

−













ϕ

ε

⋅

=

ε

⋅

=

1

m

4

1

m

r

4

5

2

2

T

T

T

+

−

+

−













ϕ

ε

⋅

=

ε

⋅

=

p

5

[MPa]

T

5

[K]

ZI

0,3 ÷ 0,5

1500 ÷ 1800

ZS

0,2 ÷ 0,4

1000 ÷ 1400

44

Suw wylotu

I okres

p > p

kr

(ciśnienie krytyczne). Stosunek ciśnień jest nadkrytyczny.

( )

T

f

v

v

kr

kr

g

=

=

II okres

p < p

kr

(

)

0

g

g

p

p

f

v

−

=

III okres

Wypływ spalin wskutek ich bezwładności.

45

Parametry obiegu cieplnego

Obiegi cieplne:

1.

Rzeczywisty – wykres indykatorowy – indeks „r”.

2.

Teoretyczny – obieg Sabathégo – indeks „n”.

46

47

Założenia:

r

1

n

1

p

p

=

r

1

n

1

T

T

=

max

n

3

p

p

=

r

n

Q

Q

=

Praca wewnętrzna obiegu Sabathégo – praca teoretyczna

t

0

n

n

t

Q

Q

Q

L

=

−

=

Średnie ciśnienie obiegu teoretycznego

s

t

t

V

L

p

=

48

Praca wewnętrzna obiegu rzeczywistego – praca indykowana

i

0

r

r

i

Q

Q

Q

L

=

−

=

Średnie ciśnienie obiegu rzeczywistego –
średnie ciśnienie indykowane

s

i

i

V

L

p

=

49

50

Sprawność cieplna obiegu teoretycznego

n

t

n

t

n

0

n

n

t

L

L

Q

Q

Q

Q

Q

=

=

−

=

η

Sprawność cieplna obiegu rzeczywistego

r

i

r

i

r

0

r

r

c

L

L

Q

Q

Q

Q

Q

=

=

−

=

η

Sprawność indykowana

t

i

t

i

t

c

i

Q

Q

L

L

=

=

η

η

=

η

51

Praca strat mechanicznych – L

m

.

Praca użyteczna

m

i

e

L

L

L

−

=

Średnie ciśnienie użyteczne

s

e

e

V

L

p

=

Średnie ciśnienie strat mechanicznych

s

m

m

V

L

p

=

Sprawność mechaniczna

i

e

i

e

m

p

p

L

L

=

=

η

Sprawność ogólna

r

e

e

Q

L

=

η

52

Sprawność ogólna silnika

t

i

m

c

m

r

i

i

e

e

Q

L

L

L

η

⋅

η

⋅

η

=

η

⋅

η

=

⋅

=

η

53

Teoretyczne ograniczenia obiegów cieplnych

1. Dolne ograniczenie

Temperatura otoczenia (obieg Carnota) i ciśnienie otoczenia (obieg
Sabathégo, Otta i Diesla).

2. Górne ograniczenie.

Temperatura maksymalna (obieg Carnota) i ciśnienie maksymalne
(obieg Sabathégo, Otta i Diesla).

54

T

max

= 2880 K

K

T

min

= 290 K

55

56

Dodatkowo:

−

ograniczenie stopnia sprężania (obciążenia, spalanie stukowe,
samozapłon),

−

niecelowe jest rozprężanie czynnika do ciśnienia otoczenia
(duże opory mechaniczne).

57

Odstępstwa obiegów rzeczywistych od teoretycznych obiegów
tłokowych silników spalinowych

1.

Czynnik nie jest gazem doskonałym.

2.

Niemożliwe jest izentropowe sprężanie i rozprężanie.

3.

Niemożliwe jest izochoryczne i izobaryczne doprowadzanie
ciepła.

4.

Niemożliwe jest izochoryczne i izotermiczne odprowadzanie
ciepła.

5.

Konieczna jest wymiana ładunku.

6.

Występują straty nieszczelności.