�jacek smołka
Technika cieplna II
/ Tłokowe silniki spalinowe /
Jacek Smołka
[e-mail]
www.itc.polsl.pl/smolka
1
�jacek smołka
Spis treści
" Teoretyczny obieg Carnot
" Informacje wstępne do analizy obiegów silników spalinowych
" Obiegi tłokowych silników spalinowych
" Obieg Otto
" Obieg Diesela
" Obieg mieszany (Sabathe-Seiligera)
" Obieg Stirlinga
" Obieg Ericssona
" Silnik Wankla
2
�jacek smołka
Teoretyczny obieg Carnota
Cztery przemiany odwracalne:
1-2 izotermiczne doprowadzenie ciepła
2-3 izentropowe rozprę\
anie
3-4 izotermiczne odprowadzanie ciepła
3
4-1 izentropowe sprę\
anie
�jacek smołka
Teoretyczny obieg Carnota
Wzrost sprawności układu mo\
na
uzyskać poprzez zwiększenie średniej
Tmin
temperatury, przy której ciepło jest
�Carnot = 1-
Tmax
doprowadzane do układu albo poprzez
obni\
enie temperatury, przy której ciepło
jest z niego odprowadzane.
Mo\
liwy do zastosowania w
silnikach, ale izotermiczny
przepływ ciepła wymagałby
stosowania bardzo du\
ych
wymienników ciepła. Poza tym
typowy cykl pracy silnika przebiega
w setnych częściach sekundy,
czego nie da się zrealizować
stosując obieg Carnota.
4
�jacek smołka
Zało\
enia w analizie obiegów silników
Zało\
enia standardowego powietrza:
" czynnikiem obiegowym jest powietrze krą\
ące w
zamkniętym układzie i jest gazem doskonałym
" wszystkie procesy są wewnętrznie odwracalne
" proces spalania jest modelowany jako proces
doprowadzenia ciepła z zewnętrznego z
ródła
" wyprowadzenie spalin jest modelowane jako proces
odprowadzenia ciepła, czynnik po tym procesie powraca do
parametrów wyjściowych
Model powietrza standardowego, choć nieco odbiega od
rzeczywistych obiegów pozwala na analizę wpływu
głównych parametrów na wydajność rzeczywistych silników.
5
�jacek smołka
Silniki tłokowe
TDC - górny martwy punkt, w tej
pozycji tłoka objętość w cylindrze jest
najmniejsza
BDC - dolny martwy punkt, w tej
pozycji tłoka objętość w cylindrze jest
największa
Suw (ang. stroke) - odległość między
TDC i BDC czyli maksymalny ruch
tłoka w cylindrze
Objętość komory sprę\
ania (ang.
clearance volume) - objętość nad
tłokiem w TDC
Objętość skokowa cylindra (ang.
displacement volume) - objętość
między TDC i BDC
6
�jacek smołka
Silniki tłokowe
Stopień sprę\
ania - stosunek maksymalnej (skokowej) do
minimalnej (sprę\
ania) objętości cylindra
Vmax VBDC
r = =
Vmin VTDC
Średnie ciśnienie efektywne
(u\
yteczne) - teoretyczne ciśnienie,
które jest wywierane na tłok podczas
całego suwu pracy silnika. Im wy\
sza
jego wartość, tym więcej energii/mocy
produkuje silnik.
L l
p = =
Vmax -Vmin vmax - vmin
7
�jacek smołka
Silniki tłokowe
Typy silników spalinowych ze względu na sposób zapłonu:
1. Z zapłonem iskrowym (obieg Otto)  zapłon mieszanki
paliwowo powietrznej wywołany jest iskrą ze świecy
zapłonowej
2. Z zapłonem samoczynnym (obieg Diesela)  zapłon
mieszanki paliwowo powietrznej wywołany jest jej sprę\
eniem
powy\
ej temperatury samozapłonu paliwa
8
�jacek smołka
4-suwowe silniki tłokowe ZI
Tryb pracy silnika czterosuwowego z zapłonem
iskrowym (ZI):
1. W okolicach TDC otwierany jest zawór wlotowy,
tłok przesuwa się w dół w kierunku BDC i
mieszanka paliwa z powietrzem wypełnia cylinder.
2. Przy zamkniętych obu zaworach tłok przesuwa
się z BDC do TDC sprę\
ając mieszankę paliwowo
powietrzną. Tu\
przed TDC następuje zapłon
mieszanki za pomocą iskry ze świecy zapłonowej,
co podwy\
sza ciśnienie i temperaturę.
3. Spaliny o wysokim ciśnieniu powodują
przesunięcie się tłoka w kierunku BDC i obrót wału
korbowego.
4. Po otwarciu zaworu wylotowego tłok przesuwa
się w kierunku TDC usuwając spaliny z cylindra.
9
�jacek smołka
Teoretyczny obieg Otto
1-2 Izentropowe sprę\
anie
2-3 Doprowadzenie ciepła przy stałej objętości
3-4 Izentropowe rozprę\
anie
4-1 Wyprowadzenie ciepła przy stałej objętości
10
�jacek smołka
Teoretyczny obieg Otto
Bilans energii:
qin - qout + lin - lout = "u
Ciepło doprowadzone i wyprowadzone:
qin = u3 - u2 = cv (T3 -T2)
qout = u4 - u1 = cv (T4 -T1)
Sprawność obiegu dla stałych wartości cv:
lOtto qout T4 -T1
�Otto = = 1- = 1- =
qin qin T3 -T2
T1(T4 /T1 -1)
= 1-
T2(T3 /T2 -1)
11
�jacek smołka
Teoretyczny obieg Otto
Sprawność obiegu dla stałych wartości cv:
T1(T4 /T1 -1)
�Otto = 1-
T2(T3 /T2 -1)
Przemiany 1-2 i 3-4 są izentropowe:
T1 v2 v3 T4
= ( )� -1 = ( )� -1 =
T2 v1 v4 T3
Ostatecznie sprawność obiegu dla stałych
wartości cv:
1
�Otto = 1-
� -1
r
12
�jacek smołka
Teoretyczny obieg Otto
1
�Otto = 1-
� -1
r
Wzrost sprawności teoretycznego
obiegu Otto następuje ze wzrostem
stopnia sprę\
ania i wykładnika
izentropy (podobnie jak dla
rzeczywistych silników z zapłonem
iskrowym).
Przy r > 8 wzrost sprawności jest coraz mniejszy. Ponadto przy
wysokich stopniach sprę\
ania temperatura jest wy\
sza od
temperatury samozapłonu paliwa.
13
�jacek smołka
Teoretyczny obieg Otto
1
�Otto = 1-
� -1
r
Dla danego stopnia sprę\
ania
najni\
sze sprawności uzyskuje się
dla gazów trójatomowych. Ponadto
wykładnik izentropy � = cp/cv spada
ze wzrostem temperatury.
14
�jacek smołka
Rzeczywisty obieg Otto
Tryb pracy silnika czterosuwowego:
1. Suw ssania
2. Suw sprę\
ania
3. Suw pracy (rozprę\
ania)
4. Suw wydechu
Sprawność rzeczywistego obiegu (25-30 %) jest ni\
sza od
teoretycznego ze względu na niedoskonały proces spalania i
15
tarcie.
�jacek smołka
2-suwowe silniki tłokowe ZI
1. Suw pracy - podczas końcowej części
suwu pracy tłok odsłania okno wylotowe i
spaliny w du\
ej części opuszczają
cylinder. Następnie tłok otwiera okno
dolotowe i świe\
a mieszanka paliwowo-
powietrzna wpływa do komory wypychając
resztki spalin.
2. Suw sprę\
ania - po napełnieniu cylindra
mieszanka jest sprę\
ana przez tłok
poruszający się w kierunku TDC.
Wady: ni\
sza sprawność ni\
w silnikach 4-suwowych,
niecałkowite spalanie, częściowe odprowadzanie świe\
ej
mieszanki paliwa z powietrzem
Zalety: prosta konstrukcja, du\
y współczynnik mocy do masy
Zastosowanie: kosiarki, piły łańcuchowe, motorowery
16
�jacek smołka
2-suwowe silniki tłokowe ZI
Mo\
liwości ulepszenia:
1. Wtrysk silnie rozpylonego paliwa do
komory cylindra w drugiej części suwu
sprę\
ania, gdy okno wylotowe jest ju\

zamknięte, co powoduje, \
e paliwo jest
lepiej spalone i nie przedostaje się do
układu wydechowego.
2. Uwarstwione spalanie poprzez zapłon
małej ilości bogatej mieszanki przy
świecy zapłonowej i przesuwanie się
płomienia w dół cylindra, gdzie
mieszanka staje się coraz bardziej
uboga.
3. Lepsze sterowanie procesem z
zale\
ności od obcią\
enia silnika
17
�jacek smołka
Przykład 1
Określ maksymalną temperaturę i
ciśnienie cyklu OTTO, pracę i
sprawność obiegu oraz średnie ciśnienie
efektywne. Znany jest stosunek
sprę\
ania równy 8. Na początku
procesu sprę\
ania, temperatura i
ciśnienie są odpowiednio równe 100
kPa i 17 oC. Do komory doprowadza się
ciepło w ilości 800 kJ/kg przy stałej
objętości. Załó\
, \
e ciepło właściwe
zale\
y od temperatury.
Wniosek: Ciśnienie 557.9 kPa podczas
suwu pracy wyprodukowałoby tą samą
18
ilość energii jak podczas całego cyklu.
�jacek smołka
Silniki z zapłonem ZI i ZS
W silniku z zapłonem iskrowym (ZI) (ang. SI) mieszanka
paliwowo-powietrza jest sprę\
ana do temperatury poni\
ej
samozapłonu paliwa i zapłon jest inicjowany przez iskrę. W
silnikach z zapłonem samoczynnym (ZS) (ang. CI) powietrze
jest sprę\
ane do powy\
ej temperatury samozapłonu paliwa, a
zapłon następuje w momencie kontaktu paliwa z gorącym
powietrzem.
W silnikach ZS nie ma ograniczenia w stopniu sprę\
ania jak ZI
ze względu na samozapłon, więc stopnie sprę\
ania są równe
12-24.
19
�jacek smołka
4-suwowe silniki tłokowe ZS
Pod koniec suwu sprę\
ania następuje
wtrysk paliwa (przed TDC) i trwa a\
do
początkowej fazy suwu pracy. Poniewa\

proces spalania w silniku ZS trwa dłu\
ej
jest on modelowany jako proces
doprowadzenia ciepła przy stałym
ciśnieniu w teoretycznym obiegu Diesela.
Pozostałe przemiany są identyczne jak
dla obiegu Otto.
20
�jacek smołka
Teoretyczny obieg Diesela
1-2 Izentropowe sprę\
anie
2-3 Doprowadzenie ciepła przy stałym ciśnieniu
3-4 Izentropowe rozprę\
anie
4-1 Wyprowadzenie ciepła przy stałej objętości
21
�jacek smołka
Teoretyczny obieg Diesela
Ciepło doprowadzone i wyprowadzone:
qin = p2(v3 - v2) + u3 - u2 =
= i3 - i2 = cp(T3 -T2) = �cv (T3 -T2)
qout = u4 - u1 = cv (T4 -T1)
Sprawność obiegu dla stałych wartości cv:
lDiesel qout T4 -T1
�Diesel = = 1- = 1- =
qin qin �(T3 -T2)
T1(T4 /T1 -1)
= 1-
�T2(T3 /T2 -1)
22
�jacek smołka
Teoretyczny obieg Diesela
Wprowadzając współczynnik odcięcia
(ang. cutoff ratio) rc jako stosunek
objętości przed i po procesie spalania:
V3 v3
rc = =
V2 v2
Ostatecznie sprawność obiegu dla stałych
wartości cv:
�ł łł
1 rc� -1
�Diesel = 1-
�ł�(r -1)śł
� -1
r
�ł c �ł
23
�jacek smołka
Teoretyczny obieg Diesela
�ł łł
1 rc� -1
�Diesel = 1-
�ł�(r -1)śł
� -1
r
�ł c �ł
Dla rc = 1 sprawność obiegu Otto i
Diesela są identyczne, ale silniki ZS
pracują przy znacznie wy\
szych
stopniach sprę\
ania. Stąd sprawność
du\
ych silników ZS jest w zakresie 35-
40 %.
24
�jacek smołka
Teoretyczny obieg mieszany
Obieg Sabathe-Seiligera
Modelowanie procesu spalania jako
procesu doprowadzenia ciepła przy
stałej objętości (Otto) lub przy stałym
ciśnieniu (Diesel) jest raczej
uproszczone. Dlatego proponuje się
opis tego procesu jako kombinację
dwóch przemian w obiegu mieszanym
Sabathe-Seiligera. Oczywiście
przypadkami szczególnymi są obiegi
Otto i Diesela.
25
�jacek smołka
Przykład 2
Określ temperaturę i ciśnienie po ka\
dej
przemianie cyklu DIESELA, pracę i
sprawność obiegu oraz średnie ciśnienie
efektywne. Znane są stosunki sprę\
ania
i odcięcia równe odpowiednio 18 i 2. Na
początku procesu sprę\
ania,
temperatura i ciśnienie są równe
odpowiednio 100 kPa i 27 oC. Komora
spalania ma objętość skokową 1917
cm3. Załó\
, \
e ciepło właściwe NIE
zale\
y od temperatury.
Wniosek: Ciśnienie 746 kPa podczas
suwu pracy wyprodukowałoby tą samą
26
ilość energii jak podczas całego cyklu.
�jacek smołka
Teoretyczny obieg Stirlinga
1-2 Rozprę\
anie przy stałej temperaturze (doprowadzenie ciepła z
zewnętrznego z
ródła)
2-3 Regeneracja przy stałej objętości (przepływ ciepła wewnątrz układu
od czynnika roboczego do regeneratora)
3-4 Sprę\
anie przy stałej temperaturze (ciepło odprowadzone do
otoczenia)
4-1 Regeneracja przy stałej objętości (przepływ ciepła wewnątrz układu
27
z regeneratora do czynnika roboczego
�jacek smołka
Teoretyczny obieg Stirlinga
1-2 Ciepło jest doprowadzane do czynnika z
zewnętrznego z
ródła podwy\
szając jego
temperaturę do Tmax np. zewnętrzne spalanie.
Tłok przesuwa wykonując pracę, gaz
rozprę\
a się izotermicznie i zmniejsza się
ciśnienie gazu.
2-3 Gaz jest przetłaczany z komory 1 do
komory 2 oddając ciepło w regeneratorze.
Temperatura na początku regeneratora jest
równa Tmax, a na końcu Tmin. Ruch tłoków
zapewnia stałą objętość gazu.
3-4 Gaz jest sprę\
any, ale jednocześnie
oddaje ciepło do otoczenia i to zapewnia
utrzymanie stałej temperatury Tmin.
Tmin
4-1 Gaz jest przetłaczany z komory 2 do
�Stirling = �Carnot = 1-
komory 1 pobierając ciepło w regeneratorze. Tmax
Temperatura na początku regeneratora jest
równa Tmin, a na końcu Tmax. Ruch tłoków
28
zapewnia stałą objętość gazu.
�jacek smołka
Teoretyczny obieg Ericssona
1-2 Rozprę\
anie przy stałej temperaturze (doprowadzenie ciepła z
zewnętrznego z
ródła)
2-3 Regeneracja przy stałym ciśnieniu (przepływ ciepła wewnątrz układu
od czynnika roboczego do regeneratora)
3-4 Sprę\
anie przy stałej temperaturze (ciepło odprowadzone do
otoczenia)
4-1 Regeneracja przy stałym ciśnieniu (przepływ ciepła wewnątrz układu
29
z regeneratora do czynnika roboczego
�jacek smołka
Teoretyczny obieg Ericssona
Tmin
�Ericsson = �Carnot = 1-
Tmax
W turbinie i sprę\
arce realizowane są przemiany
izotermiczne (obni\
enie ciśnienia i doprowadzenie ciepła lub
odwrotnie). Regeneratorem jest przeponowy przeciwprądowy
wymiennik ciepła. W idealnym przypadku ciepły strumień
gazu z turbiny ochładza się w wymienniku ciepła do
temperatury Tmin i analogicznie chłodny czynnik roboczy ze
sprę\
arki podgrzewa się do temperatury Tmax.
30
�jacek smołka
Wady i zalety obiegów Stirlinga i
Ericssona
Wady: Konieczność wymiany ciepła przy ró\
niczkowej
ró\
nicy temperatur, co wymaga du\
ych powierzchni i czasu
trwania procesu.
Zalety: Zewnętrzne spalanie, co powoduje, \
e ró\
ne paliwa
mogą być stosowane, proces spalania jest bardziej
doskonały ze względu na dłu\
szy czas. Obieg jest
zamknięty, co oznacza, \
e jest mo\
liwość dobrania
odpowiedniego czynnika roboczego ze względu na jego
stabilność, obojętność chemiczną i wysoki współczynnik
przewodzenia ciepła, np. hel lub wodór.
Wniosek: regeneracja podwy\
sza sprawność obiegu, co
wykorzystuje się m.in. w obiegach turbin gazowych
realizujących obieg Braytona, który jest wtedy podobny do
obiegu Ericssona.
31
�jacek smołka
Silnik Wankla
Seryjna Mazda RX-8 (model 2008), pojemność skokowa 1300 ccm, moc 231 KM
32