background image

 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

 -   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

 

background image

-    - 

2

 
 

2. ZAŁOŻENIA DO OBIEGÓW TEORETYCZNYCH TŁOKOWYCH SILNIKÓW SPALINOWYCH . 
 
 
 

Obiegi teoretyczne są rozpatrywane przy następujących założeniach : 
 

 

Masa czynnika w przestrzeni roboczej czasie obiegu jest stała 

Sprężanie i rozprężanie odbywa się izentropowo 

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

Skład chemiczny czynnika nie zmienia się 

 

Czynnikiem roboczym jest gaz doskonały 

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) 

background image

-    - 

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 

background image

-    - 

4

2 `

1

4 `

3

T

m a x

T

m i n

p =

p

ma

x

2

4

T

s

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

1

 = V 

4  

=  c o 

n s t

2  

=  V

 3  

=  c

 o n

 s t

         

V

k

c

2

3

1

4

p

ot

p

max

p

V

 

 

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

 

background image

-    - 

5

1

T

max

T

min

2

4

T

s

1

 = V

 

4  

=  c

 o n

 s t

 

=  p

  

3

  

=  c o

 n s t

        

V

k

c

2

3

1

4

p

ot

p

max

p

V

 

 

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