Silniki cieplne

Przedstawimy krótko cykle dwóch najpopularniejszych silników cieplnych stosowanych w samochodach: silnika spalinowego oraz silnika Diesla.

Cykl pracy benzynowego silnika spalinowego odpowiada w przybliżeniu cyklowi Otta, który schematycznie przedstawiony jest na Rys.13.4. Objętości V₁ i V₂ odpowiadają górnemu i dolnemu położeniu tłoka (patrz - schemat we wstępie do tej lekcji). Opiszemy poszczególne odcinki cyklu zwracając uwagę na ich związek ze znanymi powszechnie "suwami" tłoka w cyklu pracy silnika czterosuwowego.  

(AB) - ssanie. Zawór wlotowy zostaje otwarty, tłok przesuwa się zasysając mieszankę paliwową, następuje wzrost objętości  do wartości V1 przy stałym ciśnieniu. (BC) - sprężanie, proces adiabatyczny, objętość zmniejsza się do wartości V2. (CD) - wybuch mieszanki paliwowej. Następuje gwałtowny wzrost ciśnienia przy stałej objętości.  (DE) - praca. Gazy spalinowe ulegają adiabatycznemu rozprężeniu objętość wzrasta do wartości V1  , gaz wykonuje pracę dodatnią.  (EB) - otwarcie zaworu wylotowego. Ciśnienie spada do wartości p1  - ciśnienia atmosferycznego. (BA) - wydech. Gazy spalinowe zostają usunięte wskutek ruchu tłoka. Objętość zmniejsza się do wartości V2 przy stałym ciśnieniu.

Rys.13.4 Cykl Otta - silnika benzynowego

Jak pamiętamy,  sprawność cyklu Carnota jest największa, jaką można osiągnąć. Z drugiej strony, cykl ten jest cyklem odwracalnym, a wiec kwazistatycznym oraz zachodzi w obiegu zamkniętym. W silnikach spalinowych cykl realizowany jest w skończonym czasie, a gaz roboczy (spalinowy) jest usuwany na zewnątrz. Sprawność takiego silnika musi być więc mniejsza od silnika odwracalnego.

Sprawność cyklu Otta określona jest przez stosunek  objętości cylindra w dwóch skrajnych położeniach ruchu tłoka i wyrażona jest wzorem

Wzór ten pokazuje łatwy, na pozór, sposób na zwiększenie wydajności silnika spalinowego poprzez zwiększenie stopnia sprężenia mieszanki w konsekwencji zwiększenia stosunku V₁/V₂. Nie jest to jednak celowe, bowiem w czasie przemiany adiabatycznej na odcinku BC dochodzi do bardzo dużego wzrostu temperatury i w rezultacie może nastąpić spontaniczny wybuch mieszanki paliwowej zanim dojdzie do zapłonu wskutek przeskoczenia iskry na świecy. Stosunek ten na ogól nie jest więc większy niż siedem.

Zasadnicza różnica pomiędzy silnikiem benzynowym, a silnikiem Diesla polega na tym, że w silniku Diesla nie jest sprężana mieszanka paliwowa, ale powietrze, które jest zasysane na odcinku AB, i sprężane adiabatycznie na odcinku BC, Rys.13.5. Dzięki temu nie ma obawy samozapłonu i stopień sprężania może być dużo większy. Wstrzykiwane paliwa (w stanie ciekłym) rozpoczyna się w punkcie C. Na odcinku CD następuje spalanie przy praktycznie stałym ciśnieniu. Spalanie kończy się w punkcie D, poczym następuje rozprężanie adiabatyczne podobnie jak w silniku benzynowym.  Różnica pomiędzy formą obu cykli jest więc także w rodzaju przemiany w jakiej następuje spalanie: izochoryczna w przypadku silnika benzynowego i izobaryczna w przypadku silnika Diesla

Rys.13.5. Cykl pracy silnika Diesla

Wydajność silnika Diesla określona jest wyrażeniem

Jak widać, wydajność silnika Diesla zależy również od przebiegu procesu spalania, który ma charakter izobarycznego ogrzewania przy zmianie objętości od V₂ do V₃. Warto zauważyć, że w  obu przypadkach substancją czynną jest powietrze, a proces spalania rozpatrujemy jako  izochoryczne (cykl Otta), bądź izobaryczne (cykl Diesla) jego ogrzewanie.