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.