Oběhové diagramy
Oběhové diagramy
(obrázky viz příloha)
Při kruhovém ději, probíhajícím během popsaných pracovních oběhů, jsou pro mechanickou práci motoru zajímavé jen tlakové změny a k nim náležející změny objemové. Ty mohou být znázorněny tak zvaným p, V diagramem. Přívod tepla a stavové změny pracovního media musí být prováděny, jak vyplývá z obrázku, tak, aby při průběhu procesu z 1 do 2 byla vykonaná práce větší než vratná práce z 2 do 1, čímž vzniká plocha, která odpovídá dosažitelné práci.
Pro srovnání pracovních oběhů z hlediska jejich hospodárnosti se používá tzv. porovnávacích oběhů, což jsou myšlené kruhové děje, podle kterých by pracoval ideální stroj. Pro zážehový motor se jako porovnávací volí oběh s přívodem tepla při stálém objemu a pro vznětový motor oběh smíšený. Jejich tvary jsou uvedeny na obrázku.
V levé části je oběh s přívodem tepla při stálém objemu. Mezi 1 a 2 probíhá adiabatické stlačování směsi nasáté zdvihem válce do pracovního prostoru Vz + Vc na objem spalovacího prostoru Vc. Mezi 2 a 3 probíhá přenos tepla Qp, vzniklého spálením směsi zažehnuté uměle, především elektrickým výbojem, přivedeným v bodě 2.
Ve spalovacím prostoru roste teplota a tlak (z p2 na p3). Křivka 3 do 4 vyjadřuje průběh adiabatické expanze, během které objem roste z Vc na Vz + Vc a tlak klesá z p3 na p4. V části 4 do 1 probíhá návrat pracovního media do výchozího stavu, což se provádí odvodem zbytkového tepla Qo. Bez odvodu tohoto tepla by motor nepracoval.
Práce potřebná ke stlačení směsi z objemu Vz + Vc na Vc je dána plochou pod křivkou 1 - 2. Práce vykonaná při expanzi z objemu Vc na Vz + Vc pak plochou pod křivkou 3 - 4. Užitečná práce motoru je tedy dána rozdílem ploch pod zmíněnými křivkami.
V pravé části je smíšený porovnávací oběh. V části 1 až 2 probíhá adiabatické stlačování čistého vzduchu na tlak a teplotu tak vysoko, aby teplota přesáhla zápalný bod tekutého paliva. To se po ukončení stlačování (bod 2) rozpráší do žhavého vzduchu a samo se v něm vzněcuje. Část paliva shoří naráz při stálém objemu (přímka 2 do 3, přičemž se přenese teplo Qpv a tlak se zvýší z p2 na p3. Zbytek spalování probíhá při konstantním tlaku (přímka 3 do 4) a přenáší se teplo Qpp. Zbytek pracovního oběhu, tj. části 4 do 5 a 5 do 1 jsou obdobné jako v předcházejícím případě. Stejně tak je práce při kompresi dána plochou pod křivkou 1 do 2, ale práce při expanzi pak plochou pod průběhem 3 do 4 a 4 do 5. Je tedy zřejmé, že termodynamická účinnost vznětového motoru je lepší.
V obou případech se výchozím tlakem, označeným P1, rozumí tlak, kterým je dopravována směs nebo vzduch při sání do objemu Vz + Vc. U motorů s atmosférickým plněním je to atmosférický tlak.
Na dokonalý motor je kladena řada požadavků. Splnění některých z nich je odvislé od mechanické konstrukce motoru. U jiných to závisí na dokonalosti procesu, kterým je příslušná část pracovního oběhu realizována. Ty lze shrnout do následujících bodů.
- Aby se z určitého činného obsahu válce dostal co největší výkon, tj. co nejvyšší indikovaný tlak pi, musí být do válce vpraveno co nejvíce čistého vzduchu.
- Množství paliva musí odpovídat nasátému vzduchu, přičemž musí být složení směsi takové, aby byl správný přebytek vzduchu, což je podmínkou dokonalého spálení.
- Spalování směsi má proběhnout co nejrychleji a její zapálení musí nastat s vhodným předstihem.
- Zbytek výfukových plynů ve válci má být co nejmenší, aby nezhoršoval spalovací proces.
- Při nasávání a výfuku plynů mají být co nejmenší ztráty prouděním.
Protože u skutečného motoru není splnění těchto požadavků dokonalé, bude průběh skutečného pracovního oběhu odlišný od porovnávacího.
Průběh skutečného pracovního oběhu se snímá indikátorem, který kreslí tlak ve válci v závislosti na dráze pístu nebo na čase. Na obrázku je uveden indikátorový diagram čtyřtaktního zážehového motoru spolu s porovnávacím diagramem s přívodem tepla při stálém objemu. V obrázku jsou patrny následující odlišnosti oběhu skutečného motoru.
- V diagramu je klička představující ztráty prouděním při sání a výfuku. Vytlačování výfukových plynů z válce probíhá totiž při malém přetlaku ve válci vůči tlaku atmosférickému. Při nasávání čerstvé náplně naproti tomu nastává ve válci podtlak vůči atmosférickému tlaku. Vzniklá klička značí negativní práci, která snižuje mechanickou účinnost motoru.
- Následkem přívodu, resp. odvodu tepla je průběh křivky stlačování z počátku strmější, potom plošší, než by odpovídalo adiabatickému ději.
- Protože není možné okamžité shoření stlačené směsi, je místo svislice 2 až 3 šikmá křivka a u bodu 3 je oblouk místo špičky.
- Expanzní křivka je následkem odvodu tepla strmější než při adiabatickém ději.
Indikátorové diagramy čtyřtaktních a dvoutaktních motorů jsou rozdílné, což vyplývá z rozdílů v jejich činnostech. Podobně jsou rozdíly mezi diagramy zážehových a vznětových motorů, vzhledem k dříve popsaným rozdílným způsobům přívodu tepla.
V částech a až d jsou uvedeny jednotlivé druhy indikátorových diagramů pro obvyklé typy automobilových motorů. Průběhy jsou doplněny některými údaji, uvádějícími informace jako je teplota stlačení, nebo zažehnutí směsi, teplota výfukových plynů a nasávaného vzduchu. Dále jsou to údaje o předstihu zapálení směsi nebo vstřiku paliva a předstihu výfukovém, které jsou důležité proto, aby se nezmenšovala plocha diagramu charakterizující užitečnou práci motoru.