Obiegi rzeczywiste

ZAGADNIENIA :
=============

1. UWAGI OGÓLNE DOTYCZĄCE OBIEGÓW RZECZYWISTYCH TŁOKOWYCH SILNIKÓW
   --------------------------------------------------------------------------------------------------------
                                                                  SPALINOWYCH

                                                                                   ----------------------------

Obiegi teoretyczne odwzorowują,w warunkach idealnych,przemiany termodynamiczne zachodzące w rzeczywistym silniku.
Wobec tego umożliwiają tylko wstępną ocenę i przeprowadzenie bardzo przybliżonej analizy analizy szeregu współzależności
projektowanego silnika ,a więc w również jakości zamiany energii cieplnej na mechaniczną zachodzącą w tłokowym
silniku spalinowym.Jednak bardzo często zachodzi konieczność dokładniejszej (niż umożliwiają to obiegi teoretyczne) analizy tego
procesu.Najdogodniejszą sytuacją byłoby zaprojektowanie obiegu odwzorowującego rzeczywiste przemiany zachodzące w przestrzeni
roboczej silnika.
Obieg rzeczywisty silnika przedstawia przebieg zmian ciśnienia w cylindrze silnika podczas jego pracy,bądź w funkcji objętości

cylindra bądź w funkcji kąta obrotu wału korbowego.Wartość tego ciśnienia jest wypadkową powstającą w wyniku jednoczesnego
współdziałania wszystkich zjawisk zachodzących w danej chwili w cylindrze.A zatem, ze względu na ogromną złożonośćtych zjawisk jest
obecnie niemożliwe zaprojektowanie obiegu rzeczywistego.Można jedynie zaprojektować obieg porównawczy o różnym stopniu
przybliżenia do obiegu rzeczywistego.Dobór tego przybliżenia zależy od projektującego oraz od stojących do dyspozycji środkoów
technicznych.

Podstawą cieplnego obliczenia silnika jest więc zwykle obieg porównawczy,a nie obieg teoretyczny ani rzeczywisty.

rys.1 Obiegi silnika : a) teoretyczny, b) porównawczy, c) rzeczywisty (wykres indykatorowy)

2.ZAŁOŻENIA DO PROJEKTOWANIA OBIEGÓW PORÓWNAWCZYCH
-------------------------------------------------------------------------------------------

Obieg porównawczy umożliwia obliczeniową analizę wielu zjawisk w sposób bardziej przybliżony do rzeczywistego ich
przebiegu w cylindrze silnika.Stopień przybliżenia obiegu porównawczego do obiegu rzeczywistego zależy przede
wszystkim od projektującego i związany jest z przeznaczeniem tego obiegu i jego analizy.
Obieg porównawczy sporządza się przy założeniach,które mogą być w pewnym stopniu przyjmowane dowolnie.Oto one

- czynnikiem w obiegu jest gaz półdoskonały lub gaz rzeczywisty;uwzlędnia się więc zmienność ciepła

właściwego wraz ze zmianą temperatury

- masa czynnika biorąca udział w obiegu nie jest stała (strata czynnika przez nieszczelności cylindra)

- napełnienie cylindra świeżym ładunkiem oraz usunięcie spalin wymaga doprowadzenia pracy,którą

uwzględnia się projektując część wykresu odpowiadającą tej wymianie

- podczas wymiany ładunku w cylindrze powstają straty przepływu w kanałach dolotowych i wylotowych

powodując zmniejszenie współczynnika napełnienia;podobny wpływ ma podgrzanie świeżego ładunku

podczas przepływu przez kanał dolotowy w głowicy cylindra

- w komorze spalania po zakończonym wylocie pozostaje zawsze pewna ilość spalin,które podgrzewają świeży

ładunek oraz go zanieczyszczają

- doprowadzenie i odprowadzenie ciepła nie odbywa się poprzez podgrzewanie i oziębianie,lecz przez spalanie

mieszaniny paliwowo - powietrznej ;spalanie to może być całkowite lub niecałkowite,zupełne lub

niezupełne,może przebiegać powoli lub szybko

- w casie trwania całego obiegu dokonuje się ciągła wymiana ciepła pomiędzy czynnikiem a ściankami cylindra,

tłoka i głowicy oraz dalej pomiędzy tymi ściankami a czynnikiem chłodzącym

3.OBIEG RZECZYWISTY SILNIKA
---------------------------------------

- suw napełnienia

Suw napełnienia,nazywany także suwem ssania lub doładowania,odbywa się przy ruchu tłoka od GMP do DMP,przy otwartym zaworze
dolotowym.W czasie tego suwu cylinder silnika zostaje napełniony świeżym powietrzem pod wpływem różnicy ciśnień panujących
w przewodzie dolotowym i cylindrze silnika.
Wskutek oprów przepływu,powstających w przewodzie i zaworze dolotowym,ciśnienie w cylindrze silnika wolnossącego w czasie
napełniania jest niższe od ciśnienia atmosferycznego.Ponadto,wskutek zmiennej prędkości tłoka,prędkość zasysanego czynnika również
się zmienia.To pociąga za sobą zmiany ciśnienia w cylindrze w czasie całego suwu.

rys.2 Przykład rzeczywistego przebiegu zmian ciśnienia w cylindrze podczas suwu dolotu

Ze względu na to,że posługiwanie się zmiennym ciśnieniem napełniania jest niewygodne,wprowadza się średnią wartość ciśnienia
napełniania p1,którą nazywa się po prostu ciśnieniem napełniania (rys.3)

rys.3 Uproszczony wykres przebiegu napełnienia.

Suw napełniania rozpoczyna się w punkcie 6, natomiast rzeczywisty początek napełniania cylindra świeżym ładunkiem - w punkcie 7.Część suwu
odpowiadająca odcinkowi 6 - 7 zostaje stracona na rozprężenie spalin pozostałych w cylindrze z poprzedniego obiegu.
Suw napełniania kończy się w punkcie 1,natomiast właściwe napełnianie cylindra w zasadzie w punkcie 8.Napełnianie cylindra na części wykresu 1 - 8
występuje dlatego,że w cylindrze panuje ciśnienie niższe od ciśnienia atmosferycznego i energia kinetyczna nadana słupowi powietrza przepływającemu
przez przewód dolotowy powoduje jeszcze ruch powietrza i jego dopływ do cylindra,mimo że właściwy suw napełniania został już zakończony.Z tego
też powodu pozostawia si zawór dolotowy otwarty przez pewien czas po przejściu tłoka przez DMP.
Wartść ciśnienia w cylindrze w czasie suwu napełniania zależy od długości i średnicy przewodów dolotowych.Ciśnienie napełniania maleje wraz ze
wzrostem oporów przepływu.Wartość tych oporów jest między innymi proporcjonalna do kwadratu prędkości przepływu.Zwiększanie prędkości
obrotowej silnika powoduje wzrost prędkości przepływu wywołując z kolei wzrost oporów przepływu i spadek ciśnienia napełniania (rys.4)

rys.4 Zmiany przebiegu napełniania wywołane : a) zwiększeniem n , b) zwiększeniem oporów przepływu w kanale dolotowym

- suw sprężania

Sprężanie w rzeczywistym silniku nie przebiega izentropowo jak w obiegu teoretycznym,lecz wg przemiany o zmieniającym się wykładniku przy
V.Linia wykresu tej przemiany leży w przybliżeniu pomiędzy izotermą a izentropą.Sprężanie przebiega przy stałej wymianie ciepla pomiędzy ładunkiem
a ściankami cylindra i komory spalania,a także przy stałym uchodzeniu pewnej części ładunku przez nieszczelności.
Wielkością,od której w zasadniczy sposób zależą parametry termodynamiczne ładunku w końcu sprężania,jest stopień sprężania wyrażony stosunkiem :

Rozpatrując przebieg sprężania łatwo zauważyć,że w początkowym okresie temperatura śiweżego ładunku jest niższa od temperatury ścianek cylindra i
ładunek zostaje podgrzany;do ładunku jest wię doprowadzane ciepło ,co powoduje zwiększenie wykładnika politropy sprężania, czyli m1 >   .Przy
dalszym sprężaniu różnica temperatur pomiędzy ściankami cylindra i gazem maleje,co powoduje zmniejszanie wykładnika politropy.W chwili gdy
temperature ścianek i ładunku będą sobie równe wykładnik przemiany sprężania osiągnie wartość równą wykładnikowi izentropy.

Pod  koniec sprężania kierunek przepływu ciepła zmieni się i ścianki cylin-
dra będą ogrzewane od sprężanego ładunku.nastąpi odprowadzanie ciepła od
powietrza,więc wykładnik politropy sprężania przyjmie wartości mniejsze niż
wykładnik izentropy,a zatem           Pod sam koniec sprężania odprowadza-
nie ciepła od gazu do ścianek staje się coraz mniejsze,ponieważ powierz-
chnia wymiany ciepła maleje (rys.5)

rys.5 Przebiegi sprężania przy wymianie ciepła

W celu uproszczenia przyjmuje się e przemiana sprężania jest przemianą po-
litropową o stał

ym średnim wykładniku m [4v1 [3vWartść tego wykładnika wynosi dla

silników  wolnossących  ok. 1, 34 - 1, 4, zaś dla silników doładowanych ok.
1, 34-1, 37. Przeciętne wartości wykładnika politropy mniejsze od wykładni-
ka  izentropy  wskazują  na to, iż podczas sprężania ciepło jest w większym
stopniu  oddawane  przez gazy do ścianek cylindra niż ze ścianek pobierane.
Ponadto uwidacznia się tu wpływ nieszczelności cylindra.

Na wartość wykładnika politropy sprężania mają wpływ :

-  powierzchnia  zetknięcia się gazów ze ściankami cylindra - im większa ta
powierzchnia,  tym  większa  jest  ilość  ciepła przechodzącego od gazów do
ścianek, a tym samym zmniejsza się wykładnik politropy

-  intensywność chłodzenia - im intensywniej jest silnik chłodzony, tym wy-
kładnik politropy jest mniejszy.

- prędkość obrotowa - zwiększenie prędkości obrotowej powoduje zmniejszenie
czasu  wymiany ciepła oraz zmniejszenie części ładunku straconej przez nie-
szczelności cylindra. Powoduje to zatem zwiększenie wartości wykładnika po-
litropy

-  obciążenie  silnika  -  wraz  ze wzrostem obciążenia średnia temperatura
ścianek  cylindra  rośnie,  a to powoduje zwiększone oddawanie ciepła przez
ścianki  na pocątku sprężania i zmniejszoną wymianę ciepła na końcu spręża-
nia, w rezultacie wartość wykładnika zwiększa się

- spalanie

Do głównych parametrów termodynamicznych i wskaźników przebiegu spalania
zalicza sie :

-  największe ciśnienie spalania - wynosi w silnikach wolnossących 6-1O MPa
   zaś w silnikach doładowanych może sięgać do ok. 15 MPa,zależnie od stop-
   nia doładowania

-  największa  temperatura  spalania - mieści się zwykle w granicach 18OO -
   23OO K zarówno w silnikach wolnossących jak i doładowanych

- stopień przyrostu ciśnienia - wynosi średnio 1,6 - 2,2

- stopień przyrostu objętości - mieści się w granicach 1, 3 - 1, 8 dla sil-
  ników  średnioobrotowych, oraz ok. 1, 2 - 1, 6 dla silników szybkoobroto-
  wych

- średnia prędkość narastania ciśnienia - wynosi ok. O,4 - 1,O MPa/1 OWK,i
  jest uzależninona od rodzaju komory spalania,prędkości obrotowej silnika
  a także od niektórych parametrów konstrukcyjnych silnika

- rozprężanie

W silniku rzeczywistym rozprężenie nie przebiega izotopowo, lecz wg prze-
miany leżącej pomiędzy izotermą i izentropą o zmiennej wartości wykładnika.
Przyczyną tego jest dopalanie paliwa, upływ spalin przez nieszczelności cy-
lindra oraz chłodzenie silnika. Intensywność dopalania zależy od obciążenia
silnika, przebiegu spalania,od kąta wyprzedzenia wtrysku i przygotowania
mieszaniny palnej,wartści współczynnika nadmiaru powietrza i wielu innych
czynników.
Rozprężanie przebiega więc przy stałej wymianie ciepła między ładunkiem
znajdującym się w cylindrze a ściankami cylindra.
Rozpatrując kolejne fazy rozprężania łatwo stwierdzić,że w początkowym

okresie,kiedy trwa jeszcze spalanie,ciepło jest doprowadzane do czynnika.W

tej części suwu wykładnik przemiany m [4v2 [3v będzie więc mniejszy od wykładnika

izentropy,czyli m [4v2 [3v< .
W dalszym ciągu rozprężania,po zakończeniu dopalan

ia,wartość wykładnika m [4v2 [3v

zwiększa się,a pod koniec rozprężania może osiągnąć lub nawet przekroczyć
wartość wykładnika izentropy.Jeżeli ilość ciepła przekazywana ściankom cy-
lindra przez czynnik będzie większa od ilości ciepła dostarczanego do czyn-
nika przez dopalanie,to linia rozprężania będzie przebiegała bardziej stro-
mo i zbliży się do przebiegu izentropy.Jest to zjawisko niekorzystne ze
względu na pole wykresu obiegu (pracę obiegu).
Jeśli natomiast ilość ciepła dostarczonego przez dopalanie będzie większa

to wartośc wykładnika m [4v2 [3v będzie mniejsza,a linia wykresu przemiany będzie
przebiegać łagodniej niż izentropa - powoduje to straty cieplne obiegu;zma-
leje sprawność cieplna obiegu.
W celu uproszczenia obliczeń przyjmuje się,że przemiana rozprężania jest

przemianą politropową o stałym średnim wykładniku m [4v2 [3v.Wartość trego wykład-
nika wynosi zwykle ok. 1,28 - 1,15.(rys.6)

rys.6 Przebiegi rozprężania przy wymianie ciepła.

Na wartość wykładnika politropy rozprężania mają wpływ :

- powierzchnia zetknięcia się gazów ze ściankami cylindra - jeżeli rośnie

to m [4v2 [3v rośnie;

- intensywność chłodzenia -

im większa tym m [4v2 [3v większe

- prędkość obrotowa silnika - w miarę zwiększania n następuje zmniejszanie

wykładnika m [4v2 [3v, ponieważ czas wymiany ciepla maleje, a więc straty cieplne

są mniejsze, co powoduje że przebieg politropy jest łagodniejszy

- obciążenie silnika -

wzrost obciążenia powoduje zwiększenie m [4v2 [3v z powodu

większego dopalania

Ogólnie,wszelkie straty cieplne,a także straty czynnika przez nieszczelnoś-
ci cylindra powodują zwiększenie wartości wykładnika politropy,a tym samym
bardziej stromy przebieg przemiany.Odpowiada to zmniejszeniu pola ptracy na
wykresie obieguy (rys.6)

- wylot

Wylot w silniku czterosuwowym dzieli się zwykle na trzy okresy :

- Pierwszy okres rozpoczyna się z chwilą otwarcia zaworu wylotowego i trwa
  w  przybliżeniu  do  DMP. W okresie tym spaliny rozprężają się gwałtownie
  wskutek  znacznej  różnicy  ciśnień  i uchodzą z cylindra z dużą prędkością
  sięgającą  3OO  - 5OO m/s. Pod koniec tego okresu ciśnienie spalin w cylin-
  drze spada i wylot spalin odbywa się z prędkościami mniejszymi niż prędkoś-