Porovnávací oběhy spalovacích motorů a turbín

Děje, které probíhají u skutečných tepelných strojů jsou velmi složité a zabývají se jimi další specializované teoretické disciplíny. Abychom přesto mohli posoudit výhodnost či nevýhodnost různých typů tepelných strojů při teoretickém rozboru pochodů, při kterých měníme v tepelných motorech teplo v práci zavádíme následující zjednodušení.

skutečné změny nahrazujeme základními vratnými změnami stavu

množství a složení pracovní látky se nemění

pracovní látkou je ideální plyn /vzduch/

Ačkoliv většina tepelných motorů nepracuje s uzavřeným oběhem, nahrazujeme hoření přívodem tepla a výfuk chlazením plynu.

Při rozboru oběhů určujeme:

teoretický diagram motoru a jeho pracovní podmínky (p,T..)

termickou účinnost oběhu v závislosti na faktorech, které mají vliv na termickou účinnost motoru,

práci oběhu, příp. teoretický výkon motoru,

možnost zvýšení účinnosti srovnáním s oběhem Carnotovým.

Porovnávací oběhy spalovacích motorů.

Hospodárnou činnost motoru ovlivňuje:

kompresní poměr e

zvětšení tlaku přívodem tepla za stálého objemu y

zvětšení objemu přívodem tepla za stálého tlaku j

Ottův oběh (zážehový neboli výbušný motor):

Popis činnosti:

Při pohybu pístu z dolní úvrati do horní (1-2) dochází ke kompresi pracovní látky, kterou je směs paliva se vzduchem (mimo motorů s přímým vstřikováním benzínu-GDI). Tuto kompresi změnu nahrazujeme adiabatickou změnou. V horní úvrati dochází k zapálení směsi (odtud zážehový) a prudkému vyhoření (výbuchu). Tuto změnu (2-3) nahradíme změnou izochorickou. Následuje jediná pracovní změna - expanze horkých spalin (3-4), kterou vyjadřujeme adiabatou. Změna (4-1) nám uzavírá cyklus izochorickým odvodem tepla - ve skutečnosti výfuk spalin. Obrázek Ottova oběhu v Návodech.

,

Vyjádříme v rovnici pro účinnost všechny teploty jako funkci teploty T₁:

T₂ = T₁.e ^c závislost teploty a měr. objemu u změny adiabatické

T₃ = T₂ .y = T₁.e^c y změna izochorická

změna adiabatická

Vyjádření práce oběhu:

Dieselův oběh (vznětový rovnotlaký motor):

U tohoto motoru není nasávanou látkou na rozdíl od Ottova oběhu směs paliva se vzduchem, ale vzduch, do kterého je vstřikováno palivo. Diesel používal ke vstřiku paliva stlačeného vzduch, proto i diagram a teoretický rozbor čistého Dieselova motoru již neodpovídá vznětovému motoru jak jej známe v současnosti. Popis jednotlivých změn je podobný, jako u předcházejícího motoru, jen přívod tepla ( změna 2-3) je nahrazen izobarou, která lépe odpovídá relativně rovnoměrnému prohoření směsi. Obrázek Dieselova oběhu v Návodech.  

,

T₂ = T₁.e e ^c-1

T₃ = T₂ .j = T₁. e ^c-1 j

T₄= T_1.j^c

Práce oběhu

a)  z rozdílu tepla přivedeného a odvedeného

b) jako rozdíl práce přivedené a odvedené a_o = a_2,3 + a_3,1 - a_2,1

kde ze stavové rovnice : a_2,3 = p. (v₃ - v₂) = r. (T₃ - T₂)

a_o = q_a . h_t

Sabateův oběh (vznětový motor smíšený)

U tohoto oběhu dochází k přímému vstřiku těžkého paliva (nafty) palivovým čerpadlem do válce. Při rychlém vstřiku ještě před dosažením horní úvrati a vysokých otáčkách nastává hoření za podmínek, které se blíží nejprve změně izochorické a v další fázi přibližně změně izobarické. Oběh je pak kombinací oběhu zážehového a vznětového. Obrázek Sabateova oběhu v Návodech.

; ;

T₂ = T₁.e ^c-1

T₃ = T₂ .y T₁. e ^c-1 . y

T₄ = T₃ .j = T₁. e ^c-1 .j

Vzorec platí obecně dosadíme-li pro Ottův oběh j = 1 , pro Dieselův oběh y

Práce oběhu :

a_o = q_a - | q_b | = q_a . h_t = a_3,4 + a_4,5 - a_2,1

Porovnávání oběhů pístových spalovacích motorů

Vzájemně porovnáváme účinnost motoru výbušného rovnotlakého, motor s oběhem smíšeným se svými vlastnostmi nachází mezi nimi.

Vyhodnocení uskutečníme tak, že porovnávaný oběh nahradíme oběhem Carnotovým se stejnou účinností, tj. teplo sdělené při izochorických nebo izobarických dějích nahradíme stejným množstvím tepla sděleným při ději izotermickém (za odpovídající střední teploty).

Při porovnávání sledujeme vliv činitelů ovlivňujících účinnost obou porovnávaných oběhů. Jsou to:

T_max - nejvyšší přípustná teplota, která je z praktického hlediska omezena endotermickými reakcemi a použitými materiály,

Q_a - množství přivedeného tepla, omezené především množstvím kyslíku v přiváděném vzduchu ,

e - kompresní poměr, jehož nejvyšší hodnota je dána druhem paliva a motoru.

Budeme předpokládat, že u porovnávaných oběhů je minimální teplota dána teplotou okolí, tedy vždy stejná.

Měnit můžeme účelně vždy dvě ze tří sledovaných veličin. Zaměříme se tedy na 3 varianty srovnáním motoru výbušného a motoru rovnotlakého.

a)   motory mají stejné kompresní poměry a stejnou maximální teplotu.

T_v¢¢ < T_R¢¢ h_t,V > h_t,R

b) motory mají stejné kompresní poměry a množství přivedeného tepla.

T_v¢ > T_R¢ ; T_v¢¢ < T_R¢¢ h_t,V > h_t,R

c) oba motory mají stejné maximální teploty a množství přivedeného tepla.

T_v¢ < T_R¢ ; T_v¢¢ > T_R¢¢ h_t,V < h_t,R

a)                                                       b)

c)