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 : 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)