Co to jest obieg silnika i jakie obiegi się rozróżnia?

‹ Poprzedni wpis

Mało znana Gwadelupa

Następny wpis ›

Żeglowanie w Tajlandii

Dodane dnia 25 Sierpień 2018 r.

Obieg silnika to nic innego jak obieg termodynamiczny według którego działa tlokowy silnik spalinowy. Obieg termodynamiczny składa się z przemian czynnika termodynamicznego (gazu) zachodzących w cylindrze. Z punktu widzenia rodzaju czynnika i innych warunków rozróżnia się obiegi: teoretyczne, porównawcze i rzeczywiste.

Obiegi teoretyczne (rys.1) są odwracalnymi obiegami zamkniętymi, przedstawiającymi zamiane ciepła na pracę przy użyciu gazu doskonałego jako czynnika roboczego. Gaz doskonały jest gazem hipotetycznym (w rzeczywistości nieistniejącym) zwany też gazem idealnym, którego cząsteczki nie mają żadnej objętości i nie występują między nimi siły międzycząsteczkowe Do tego gazu odnosza się znane w fizyce prawa gazowe. W obiegu teoretycznym cykl przemian czynnika termodynamicznego zachodzi w idealnie szczelnym cylindrze, w którym czynnik powraca do tego samego stanu w jakim był na początku. Ciepło do czynnika dostarczane jest nie przez spalanie, a przez jego podgrzewanie. Odprowadzanie ciepła następuje przez oziębianie czynnika. Nie ma zatem wymiany czynnika z otoczeniem, a więc i związanych z tym strat, jak w przypadku obiegów porównawczych i rzeczywistych mających tzw. pętlę ssania i wydechu. Obiegi teoretyczne ułatwiają określenie wpływu rozmaitych czynników na pracę i sprawność silników spalinowych. Stanowią tym samym termodynamiczne modele pracy tlokowych silników spalinowych. Można powiedzieć, że są one swego rodzaju fundamentem teorii silników spalinowych. Obiegi teoretyczne są obiegami, których poszczególne przemiany zachodzą bardzo wolno i są obliczane.

Pierwszy z obiegów to obieg Otta z 1876 roku. Jest to obieg z doprowadzeniem ciepła w stałej objętości. Stanowi pierwowzór dzisiejszego czterosuwowego silnika spalinowego z zapłonem iskrowym. Często podawany też jako obieg Beau de Rochas. Alphonse Beau de Rochas to francuski inżynier, który w 1862 roku przedstawił projekt czterosuwowego silnika spalinowego, jednak nie zdecydował się na budowę prototypu. Dopiero w 1876 roku niemiecki wynalazca, Nikolaus Otto, skonstruował pierwszy czterosuwowy silnik gazowy o zapłonie iskrowym, który bazował na pomysłach de Rochasa.

Drugi z obiegów to obieg Diesla. Jest to obieg z doprowadzeniem ciepła przy stałym ciśnieniu. Stanowi on pierwowzór silnika z zapłonem samoczynnym. Wynalazcą był Rudol Diesel (1897). Od jego nazwiska ten silnik, popularnie, nazywa się silnikiem Diesla.

Trzeci z obiegów to obieg Seiligera-Sabathe. Jest to obieg z doprowadzeniem ciepła w stałej objętości, a następnie pod stałym cisnieniem zwany obiegiem mieszanym. Często ten obieg nosi tylko nazwę obiegu Sabathea. Twórcą tego obiegu w 1910 roku był w zasadzie Miron Pavlovich Seiliger, rosyjski fizyk i profesor uniwersytecki. Ten obieg nazwany imieniem Seiligera znany jest jako cykl podwójnego spalania w Rosji oraz cykl Sabathe we Włoszech (Louis Gaston Sabathe, patent nr 883,240, 1908 rok).

Obieg Seiligera-Sabathe jest teoretycznym obiegiem dla nowoczesnych, szybkoobrotowych silników z zapłonem samoczynnym. Można powiedzieć, że mimo odmiennej zasady działania silników z zapłonem samoczynnym i iskrowym, ich obiegi pracy są bardzo zbliżone do siebie. Różne są tylko udziały ciepła doprowadzonego w stałej objętości i pod stałym ciśnieniem. Dlatego teoretyczny obieg Seiligera-Sabathe służy do opisu zjawisk termodynamicznych zachodzących we współczesnych, szybkoobrotowych silnikach zarówno z zapłonem samoczynnym jak i iskrowym.

Obiegi porównawcze

Obiegi teoretyczne, w których uwzględnia się wymianę ładunku (pętlę ssania i wydechu) oraz efekty cieplne reakcji spalania określa się mianem obiegów porównawczych. Obiegi te sporządza się zakładając między innymi, że: czynnikiem termodynamicznym może być gaz półdoskonały, gaz rzeczywisty, a nawet mieszanina paliwowo-powietrzna. Masa czynnika biorącego udział w obiegu jest stała, ale mogą być uwzględniane straty przez nieszczelności. Sprężanie i rozprężanie przebiegają w zasadzie politropowo. Ciepło jest dostarczane do czynnika przez spalanie przebiegające w stałej objętości lub/i pod stałym ciśnieniem. Taki obieg porównawczy na przykładzie obiegu Seiligera-Sabathe pokazano na rysunku 2. Obiegi porównawcze umożliwiają dokonywanie wstępnych obliczeń parametrów silnika.

Obiegi rzeczywiste

Obieg rzeczywisty, którego obrazem graficznym jest wykres indykatorowy (rys. 2) wykazuje odchylenia w porównaniu z obiegiem teoretycznym, przy czym w zalezności od upraszczających założeń obiegu teoretycznego ich stopień przybliżenia może być różny. Róznice te mogą być dodatkowo zwiększone wadami spalania. Wykres indykatorowy przedstawia zmiany ciśnienia w cylindrze w zależności od kąta obrotu wału korbowego lub drogi tłoka.

Poza omówionymi obiegami Otta, Diesla i Seiligera-Sabathe, wypada wspomnieć o obiegu Jamesa Atkinsona z 1887 roku, którego istotą był większy skok tłoka w suwach pracy i wydechu niż w suwach ssania i pracy, dzięki czemu silnik mógłby być oszczędniejszy. Nie można tez pominąć obiegu Millera (1957), obiegu tzw.dwutłokowego silnika bądź innych. Jednak żaden z tych obiegów, mimo pewnych zalet, modyfikujących nieco bazowy obieg Seiligera-Sabathe, nie zdominował tego obiegu.