3.5 Silnik spalinowy (Cykl Otto)

Następny: 3.6 Cykl Diesla Up: 3. Pierwsze prawo Previous: 3.4 Chłodnice i ciepło Spis treści

Podrozdziały

• 3.5.1 Sprawność idealnego cyklu Otto
• 3.5.2 Praca silnika, szybkość pracy na jednostkowy strumień entalpii

Cykl Otto to zespół procesów wykorzystywanych przez silniki spalinowe z zapłonem iskrowym (2-suwowe lub 4-suwowe). Silniki te a) przyjmują mieszaninę paliwa i powietrza, b) sprężają ją, c) powodują jej reakcję, w ten sposób efektywnie dodając ciepło poprzez przekształcenie energii chemicznej w energię cieplną, d) rozprężają produkty spalania, a następnie e) wyrzucają produkty spalania i zastępują je nowym ładunkiem paliwa i powietrza. Różne procesy są przedstawione naRysunek 3.8:

1. Skok wlotowy, pary benzyny i powietrze wciągane do silnika ().
2. Skok sprężania, , wzrost ().
3. Spalanie (iskra), krótki czas, zasadniczo stała objętość (). Model: pochłanianie ciepła z szeregu zbiorników o temperaturach od do .
4. Skok mocy: rozprężanie ().
5. Wydech zaworu: zawór otwiera się, gaz ucieka.
6. () Model: odrzucanie ciepła do szeregu zbiorników o temperaturach od do .
7. Skok wydechu, tłok wypycha pozostałe produkty spalania z komory().

Modelujemy te procesy jako działające na stałą masę powietrza zawartą w układzie tłok-cylinder, jak pokazano naRys. 3.10.

Rys. 3.8:Idealny cykl Otto

Rysunek 3.9:Szkic rzeczywistego cyklu Otto

Rysunek 3.10:Tłok i zawory w czterosuwowym silniku spalinowym

Cykle rzeczywiste nie mają tak ostrych przejść pomiędzy różnymi procesami jak cykle idealne i mogą być przedstawione na rysunku 3.9.

3.5.1 Sprawność idealnego cyklu Otto

Punktem wyjścia jest ogólne wyrażenie na sprawność cieplną cyklu:

Konwencja, jak poprzednio, jest taka, że wymiana ciepła jest dodatnia, jeśli ciepło dopływa do układu lub silnika, więc jest ujemne. Pochłaniane ciepło występuje podczas spalania, gdy pojawia się iskra, mniej więcej przy stałej objętości. Pochłaniane ciepło można odnieść do zmiany temperatury ze stanu 2 do stanu 3 jako:

Ciepło odrzucone jest dane przez (dla gazu doskonałego o stałych ciepłach właściwych)

. Podstawiając wyrażenia na ciepło pochłonięte i odrzucone do wyrażenia na sprawność cieplną otrzymujemy

Możemy uprościć powyższe wyrażenie wykorzystując fakt, że procesy od 1 do 2 i od 3 do 4 są izentropowe:

Wielkość nazywamy stopniem sprężania. W odniesieniu do stopnia sprężania sprawność idealnego cyklu Otto wynosi:

Rysunek 3.11:Sprawność cieplna idealnego cyklu Otto

Sprawność idealnego cyklu Otto przedstawiono na rysunku 3.11 jako funkcję stopnia sprężania. Wraz ze wzrostem stopnia sprężania, , wzrasta , ale również . Jeśli jest zbyt wysoki, mieszanka zapali się bez iskry (w niewłaściwym miejscu cyklu).

3.5.2 Praca silnika, współczynnik pracy na jednostkę strumienia entalpii

Niewymiarowy stosunek wykonanej pracy (mocy) do strumienia entalpii przepływającego przez silnik wynosi

Często dąży się do zwiększenia tej wielkości, ponieważ oznacza to zastosowanie mniejszego silnika o tej samej mocy. Ciepło wejściowe jest dane przez

gdzie

• jest ciepłem reakcji, tj. energią chemiczną uwolnioną na jednostkę masy paliwa,
• jest masowym natężeniem przepływu paliwa.

Moc bezwymiarowa wynosi

Wielkości w tym równaniu, obliczone w warunkach stechiometrycznych, to:

so .

Punkty błotne

Jak oblicza się ?(MP 3.6)

Co to są „warunki stechiometryczne?”(MP 3.7)

Następne: 3.6 Cykl Diesla Up: 3. Pierwsze prawo Previous: 3.4 Chłodziarki i ciepło Spis treści

ZunifikowaneTP.