ما هي دورة أوتو ودورة الديزل وكيف يتم تعريفهما؟

كلاهما يشكل النماذج النظرية المستخدمة لوصف دورات الغاز الديناميكي الحراري التي يتم تنفيذها. يتم تنفيذه في محركات احتراق داخلي رباعية الأشواط بإشعال بالشرارة واشتعال ذاتي على التوالى.

تدين دورة أوتو باسمها إلى حقيقة أن المهندس الألماني نيكولاس أوتو هو الذي طور هذا في عام 1876 محرك إشعال شراري رباعي الأشواط ، بناءً على النموذج الذي اقترحه Beau de في عام 1862 روتشاس. ينفذ هذا المحرك أربع عمليات ديناميكية حرارية في دورتين ميكانيكيتين. من جانبها ، تم تطوير دورة الديزل بين عامي 1890 و 1897 بواسطة Rudolft Diesel في ألمانيا لصالح شركة النقل MAN ، مع نية تصنيع محركات ذات أداء أعلى من المحركات البخارية من أنواع الوقود الأخرى التي تقدم أداءً أعلى الكفاءات. تم تحسين هذا الابتكار منذ ذلك الحين ، على سبيل المثال ، في عام 1927 أطلقت شركة BOSH مضخة الحقن للديزل الذي ساعد على تقليل استهلاك الوقود ، وهو أكثر اقتصادا من الغازولين.

تُظهر الصورة مخططًا يحتوي على العناصر الأكثر تمثيلاً التي تصف دورة أوتو

تصف دورات الديزل نظريًا تشغيل محركات ECOM (محركات الاشتعال بالضغط). يوضح الرسم التخطيطي بعض ميزات هذه الدورة.

العمليات الديناميكية الحرارية لمحركات الاحتراق الداخلي

تتكون المحركات الترددية العامة رباعية الأشواط في الممارسة العملية من أربع عمليات: السحب ، والضغط ، والتمدد ، والعادم.

في كل من محركات الإشعال بالشرارة ومحركات الديزل ، أثناء عملية السحب ، يتم فتح صمام السحب في الأسطوانة للسماح بدخول الهواء (في حالة محركات الديزل). محركات الديزل) والهواء والوقود (في محركات الاشتعال بالشرارة) ، والتي تحدث عند الضغط الجوي (لذلك ، يلزم وجود ضغط داخل الأسطوانة أدنى). يؤدي دخول هذا الحجم إلى الأسطوانة إلى تحريك المكبس باتجاه المركز الميت السفلي (BDC) حتى الوصول إلى الحجم الأقصى حيث يغلق صمام السحب.

أثناء عملية الضغط ، تظل صمامات السحب والعادم مغلقة ويتحرك المكبس نحو النقطة الميتة العليا (TDC) ، وضغط محتويات الغرفة حتى الوصول إلى الحجم الحد الأدنى. على عكس محركات الإشعال بالشرارة ، حيث تكون نسبة الضغط موجودة من 11 ، في اسطوانات محركات الديزل ، يجب أن تكون هذه النسبة أعلى تقريبًا 18. يسمح هذا المسار الأطول بالوصول إلى درجات حرارة أعلى لضمان الاشتعال الذاتي للوقود في العملية التالية ، أي درجة حرارة يجب أن يكون الهواء في نهاية عملية الضغط أعلى من ذلك المعطى في الاشتعال الذاتي للوقود بحيث يمكن أن يشتعل عند دخوله إلى غرفة الضغط. الإحتراق.

تتطلب دورات الديزل أسطوانات أكبر من محركات البنزين أو الغاز ، لذلك يستخدم كلاهما بشكل شائع في الشاحنات أو وسائل النقل الكبيرة وكذلك في الصناعات الزراعية.

العملية التالية هي عملية التمدد أو شوط الطاقة ، وتبدأ عندما يصل المكبس إلى أعلى مركز ميت. في محركات الإشعال بالشرارة ، يكون الاحتراق فوريًا عمليًا ويحدث من خلال اشتعال شرارة ناتجة عن شمعة الإشعال ، مما يؤدي إلى احتراق خليط الهواء و وقود. في حالة محركات ECOM ، تكون العملية أبطأ قليلاً ، حيث تبدأ عندما يكون المكبس عند TDC وتقوم الحاقنات برش الوقود في الحجرة. عندما يتلامس زيت الديزل أو الغاز مع الهواء عند درجة حرارة عالية ، يشتعل هذا الخليط و يدفع المكبس باتجاه BDC مما يؤدي إلى توسيع غازات الاحتراق وتسبب في دوران العمود المرفقي للمحرك. محرك.

تُظهر الصورة أسطوانة لمحرك احتراق داخلي. تستطيع أن ترى الصمامات والمكبس.

أخيرًا يوجد فتحة لصمام العادم بحيث يرتفع المكبس ويزيل غازات الاحتراق وتبدأ الدورة من جديد.

في محركات الديزل ، لا تستخدم شمعات الإشعال كما هو الحال في محركات البنزين ، لأن عملية الاحتراق كذلك تم إنتاجه بفضل ظروف الضغط ودرجة الحرارة في غرفة الاحتراق في لحظة حقن وقود.

من أجل تبسيط العمليات الحسابية والتحليل الديناميكي الحراري داخل أسطوانات محركات الاحتراق الداخلي ، يتم وضع بعض الافتراضات ، مثل اعتبارات الهواء القياسية وأن العمليات تفريغ. من خلال هذه المباني ، تم تطوير دورات أوتو وديزل لتشكيل العمليات الأربع ، كما هو موضح في الصورة التالية:

العمليات الأربع لمحركات الاحتراق الداخلي رباعية الأشواط.

1-2: ضغط متماثل
2-3: إضافة الحرارة. في دورات أوتو ، يُفترض أن هذه العملية ذات حجم ثابت (متساوي الضغط) وفي دورات الديزل تقترب من إحداها عند ضغط ثابت (متساوي الضغط).
3-4: التوسع المتساوي
4-1: رفض الحرارة بالحجم الثابت (Isochoral)

يوضح الرسم البياني الموجود على اليسار العمليات التي تحدث في محركات الإشعال بالشرارة. في الممارسة العملية ، إنها عملية مفتوحة تتطلب دخول الهواء الخارجي وطرد غازات العادم في البيئة. على اليمين ، يُلاحظ تبسيط هذا النموذج كدورة مغلقة تتكون من عمليتين متماثلتين واثنتين من متساوي الزوايا.

في دورة الديزل ، يتم استبدال عمليات السحب والعادم بعمليات الإضافة الحرارية بالضغط الثابت والطرد الحراري للحجم الثابت. علاوة على ذلك ، من المفترض أن تكون عمليات الضغط والتوسيع متوازنة.

لا تستخدم محركات الاحتراق الداخلي رباعية الأشواط في صناعة النقل فقط. لديهم أيضًا تطبيقات معينة على المستوى السكني والصناعي ، على سبيل المثال ، لتطبيق التوليد المشترك ، و الحصول على الكهرباء (أو الطاقة الميكانيكية) ، والحرارة من مصدر أساسي واحد ، والذي سيكون الوقود مستخدم. ومع ذلك ، لأغراض التوليد المشترك للطاقة ، تعد دورات أوتو والتوربينات الغازية أكثر شيوعًا.

كفاءة محركات الاحتراق الداخلي رباعية الأشواط

مثل جميع الدورات الديناميكية الحرارية ، تقدم دورات الغاز مقياسًا لأدائها بناءً على الكفاءة الحرارية (η_ثالثا) ، والتي توضح العلاقة بين صافي العمل مقسومًا على كمية المدخلات الحرارية:

\ (_ {Ter =} \ frac {{{w_ {net}}}} {{{q_ {ent}}}} = \ frac {{{q_ {ent}} - {q_ {sal}}}} { {{q_ {in}}}} = 1 - \ frac {{{q_ {salt}}}} {{{q_ {in}}} \)

أين:
ماذا_ملح يمثل الحرارة المرفوضة بطريقة متساوية الصدور.

ف_ملح يتم تحديده من خلال التغيير في الطاقة الداخلية (u) بين الحالات التي تحدث فيها عملية رفض الحرارة ، أي الحالات 4 و 1. هذه الكميات مأخوذة من جداول البخار ، ومن أجل تحديد القيم ، من الضروري معرفة معلومتين عن الحالة ، على سبيل المثال درجة الحرارة والضغط. بالإضافة إلى ذلك ، يلزم تطبيق معادلة الحالة (P.v = RT) ، وعلاقة الضغوط أو الأحجام أو الضغوط / الأحجام النسبية التي تحدث بين العمليات المتساوية.

في دورات أوتو ، تتم عملية إضافة الحرارة بكميات ثابتة ، وبالتالي تسخين الإدخال q_في يتحدد بالتغير في الطاقة الداخلية بين الدولتين 2 و 3 ، أي ش₃ - أو₂:

\ (_ {Ter =} = 1 - \ frac {{{u_4} - {u_1}}} {{{u_3} - {u_2}}} \)

في حالة عملية إضافة الحرارة لدورات الديزل ، يُفترض أن يكون ذلك عند ضغط ثابت ، وحرارة الإدخال q_في، من تغيير المحتوى الحراري (ح) بين الحالات التي تحدث فيها هذه العملية ، أي بين الحالتين 3 و 2. مع هذه الاعتبارات ، يمكن تحديد كفاءة دورة الديزل باستخدام التعبير:

\ (_ {Ter =} = 1 - \ frac {{{u_4} - {u_1}}} {{{h_3} - {h_2}}} \)

يوضح هذا التخطيط بعض الاختلافات بين دورة أوتو ودورة الديزل. إذا كان كلا المحركين يعملان بنفس نسبة الضغط (r) ، فستكون دورات أوتو أكثر كفاءة ، ولكن من الناحية العملية ، تتمتع محركات الديزل بنسب ضغط أعلى.

نسبة الضغط (r) وقطع السحب (r_ج)

هذه القيمة بدون أبعاد هي معلمة في دورات الغاز ، ويتم التعبير عنها على أنها الرابط الذي يحدث على الحد الأقصى والحد الأدنى من أحجام الأسطوانة:

\ (r = \ frac {{{V_ {max}}}} {{V_ {min}}} \)

في كل من دورتي أوتو وديزل ، يتم الحصول على الحد الأقصى للحجم في الحالات 1 أو 4. الحد الأدنى للحجم في دورة أوتو يحدث في الحالتين 2 و 3 ، ولكن في الديزل يحدث فقط في الحالة 2.

يتم أيضًا تعريف ثابت بلا أبعاد للحرارة النوعية "k" ، ويمثل العلاقة المحددة فيما يتعلق بمتغيرات الحرارة النوعية عند ضغط ثابت (C_ص) والحرارة النوعية عند حجم ثابت (C_الخامس):

\ (k = \ frac {{{C_p}}} {{{C_v}}} \)

بالإضافة إلى ذلك ، في دورات الديزل ، يتم استخدام نسبة القطع أو إغلاق المدخول ، وهو محسوبة بقسمة الحجم الأقصى على الحد الأدنى للحجم أثناء عملية إضافة الحرارة ، أي يقول:

\ ({r_c} = {\ left ({\ frac {{V_ {max}}}} {{{V_ {min}}}} \ right) n \؛ of \؛ heat}} = \ frac { {{V_3}}} {{{V_2}}} = \ frac {{v_3}}} {{{v_2}}} \)

كفاءة محركات الاحتراق الداخلي باستخدام افتراضات الحرارة النوعية الثابتة

في دورة الغاز ، قد يُفترض أحيانًا أنه يعمل وفقًا لافتراضات درجات حرارة معينة لا تختلف باختلاف درجة الحرارة ، وتسمى أيضًا الهواء البارد. قياسي ، (ولكن في الممارسة العملية إذا كان هناك اختلاف) ، وبموجب هذا الاعتبار ، يتم تحديد الكفاءة الحرارية لكل دورة من خلال ما يلي التعبيرات:

لدورة أوتو

\ (_ {Ter =} = 1 - \ frac {1} {{{r ^ {k - 1}}}} \)

يوضح الرسم البياني الموجود على اليسار النطاق المميز لقيم نسبة الضغط لمحركات الاشتعال بالشرارة. على اليمين ، لوحظ تباين كفاءة دورة أوتو كدالة لنسبة الضغط (r) لقيم مختلفة لـ k.

لدورة الديزل

\ (_ {Ter =} = 1 - \ frac {1} {{{r ^ {k - 1}}}} \ left [{\ frac {{{r_c} ^ k - 1}} {{k \ left ({{r_c} - 1} \ right)}}} \ right] \)

أين_الخامس هي حرارة الهواء النوعية عند حجم ثابت (ج._الخامس = 0.718 كيلو جول / كجم. ك.) و C._ص الحرارة النوعية عند ضغط ثابت ، والتي تكون درجة حرارة الهواء في الظروف المحيطة C_ص = 1.005 كيلو جول / كجم. ك.

يوضح الرسم البياني النطاق النموذجي لنسبة الضغط (r) لمحركات الديزل ، بالإضافة إلى تباين الكفاءة الحرارية للدورة لقيم مختلفة لنسب قطع السحب (ص_ج).