Какво е цикълът на Ото и цикълът на Дизел и как се определят?

И двата представляват теоретичните модели, които се използват за описание на газовите термодинамични цикли, които се извършват. извършва се в четиритактови двигатели с вътрешно горене с искрово запалване и самозапалване съответно.

Цикълът на Ото дължи името си на факта, че немският инженер Николаус Ото през 1876 г. го разработва четиритактов двигател с искрово запалване, базиран на модела, предложен през 1862 г. от Beau de Рочас. Този двигател изпълнява четири термодинамични процеса в два механични цикъла. От своя страна дизеловият цикъл е разработен между 1890 и 1897 г. от Рудолфт Дизел в Германия за транспортната компания MAN, с намерение за производство на двигатели с по-висока производителност от парните двигатели от други горива, които предлагат по-високи ефективност. Това творение е усъвършенствано оттогава и например през 1927 г. компанията BOSH пуска помпа инжекция за дизел, което спомогна за намаляване на разхода на гориво, което е по-икономично от бензин.

Изображението показва схема с най-представителните елементи, които описват цикъл на Ото

Дизеловите цикли теоретично описват работата на ECOM двигатели (двигатели със запалване чрез компресия). Диаграмата показва някои характеристики на този цикъл.

Термодинамични процеси на двигатели с вътрешно горене

Общите четиритактови бутални двигатели на практика се състоят от четири процеса: всмукване, компресия, разширение и изпускане.

И при двигателите с искрово запалване, и при дизеловите двигатели, по време на процеса на всмукване, всмукателният клапан се отваря в цилиндъра, за да позволи на въздуха да влезе (в случая на дизелови двигатели). дизелови двигатели) и въздух и гориво (в двигатели с искрово запалване), което се случва при атмосферно налягане (за това е необходимо налягане вътре в цилиндъра нисък). Влизането на този обем в цилиндъра придвижва буталото към долната мъртва точка (BDC) до достигане на максималния обем, където всмукателният клапан се затваря.

По време на процеса на компресия всмукателните и изпускателните клапани остават затворени и буталото се движи към горната мъртва точка (ГМТ), компресирайки съдържанието на камерата до достигане на обема минимум. За разлика от двигателите с искрово запалване, където степента на компресия е около от 11, в цилиндрите на дизеловите двигатели това съотношение се изисква да бъде по-високо, приблизително 18. Този по-дълъг път позволява достигането на по-високи температури, за да се гарантира самозапалването на горивото в следващия процес, т.е. температурата на въздух в края на процеса на компресия, трябва да бъде по-висока от тази, дадена при самозапалване на горивото, така че да може да се запали, когато влезе в камерата за компресия. изгаряне.

Дизеловите цикли изискват по-големи цилиндри от бензиновите или газовите двигатели, така че и двете се използват често в камиони или големи транспортни средства, както и в агроиндустрия.

Процесът, който следва, е този на разширяване или силов ход и започва, когато буталото достигне горната мъртва точка. При двигателите с искрово запалване горенето е практически мигновено и се осъществява през запалване на искра, генерирана от запалителната свещ, което предизвиква изгаряне на смес от въздух и гориво. При двигателите ECOM процесът е малко по-бавен, започвайки, когато буталото е в ГМТ и инжекторите пръскат гориво в камерата. Когато дизелът или газьолът влезе в контакт с въздух при висока температура, тази смес се запалва и задвижва буталото към BDC, разширявайки изгорелите газове и карайки коляновия вал на двигателя да се върти. двигател.

Изображението показва цилиндър на двигател с вътрешно горене. Можете да видите клапаните и буталото.

Накрая има отваряне на изпускателния клапан, така че буталото се издига и измества изгорелите газове и цикълът започва отново.

При дизеловите двигатели запалителните свещи не се използват както при бензиновите двигатели, тъй като процесът на горене е произведени благодарение на условията на налягане и температура в горивната камера в момента на впръскване на гориво.

За да се опростят изчисленията и термодинамичният анализ вътре в цилиндрите на двигателите на вътрешно горене, са направени някои предположения, като стандартни съображения за въздух и че процесите са обратими. Чрез тези предпоставки се развиват циклите на Ото и Дизел, за да формират четирите процеса, както е показано на следното изображение:

Четирите процеса на четиритактовите двигатели с вътрешно горене.

1-2: изоентропична компресия
2-3: Добавяне на топлина. В циклите на Ото този процес се приема при постоянен обем (изохор), а в циклите на Дизел се доближава до един при постоянно налягане (изобарен).
3-4: изоентропично разширение
4-1: Отхвърляне на топлина с постоянен обем (изохорално)

Диаграмата вляво показва процесите, протичащи в двигателите с искрово запалване. На практика това е отворен процес, който изисква всмукване на външен въздух и изхвърляне на отработените газове в околната среда. Вдясно се наблюдава опростяването на този модел като затворен цикъл, образуван от два изоентропични процеса и две изохори.

В дизеловия цикъл процесите на всмукване и изпускане се заменят с тези на добавяне на топлина с постоянно налягане и отхвърляне на топлина с постоянен обем. Освен това се приема, че процесите на компресия и разширение са изоентропични.

Четиритактовите двигатели с вътрешно горене се използват не само в транспортната индустрия. Те също имат определени приложения на жилищно и промишлено ниво, например за прилагане на когенерация и получаване на електричество (или механична енергия) и топлина от един първичен източник, който би бил горивото използвани. Въпреки това, за целите на когенерацията, циклите на Ото и газовите турбини са по-често срещани.

Ефективност на четиритактовите двигатели с вътрешно горене

Както всички термодинамични цикли, газовите цикли предлагат мярка за тяхната производителност въз основа на топлинна ефективност (η_тер), които показват връзката между нетната работа wneto, разделена на вложената топлина qent:

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

Където:
Какво_сол представлява топлината, отхвърлена по изохорен начин.

q_сол Определя се от промяната във вътрешната енергия (u) между състоянията, в които протича процесът на отхвърляне на топлината, тоест състояния 4 и 1. Тези количества се вземат от парните таблици и за да се намерят стойностите, е необходимо да се знаят две части от информацията за състоянието, например температурата и налягането. Освен това се изисква да се приложи уравнението на състоянието (P.v = R.T) и връзката между налягания, обеми или налягания/относителни обеми, които възникват между изоентропични процеси.

В циклите на Ото процесът на добавяне на топлина се извършва при постоянен обем, следователно входящата топлина q_в се определя от промяната във вътрешната енергия между състояния 2 и 3, т.е. u₃ - или₂:

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

В случай на процеса на добавяне на топлина за дизелови цикли се приема, че това е при постоянно налягане и входящата топлина q_в, се изчислява от промяната на енталпията (h) между състоянията, в които протича този процес, тоест между състояния 3 и 2. С тези съображения ефективността на един дизелов цикъл може да се определи с помощта на израза:

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

Тази схема показва някои разлики между цикъла на Ото и цикъла на Дизел. Ако и двата двигателя могат да работят при една и съща степен на компресия (r), циклите на Ото биха били по-ефективни, но на практика дизеловите двигатели имат по-високи степени на компресия.

Степента на компресия (r) и прекъсването на всмукването (r_{° С})

Тази безразмерна стойност е параметър в газовите цикли и се изразява като връзката, която възниква върху максималния и минималния обем на цилиндъра:

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

И в цикъла на Ото, и в цикъла на Дизел максималният обем се получава в състояние 1 или 4. Минималният обем в цикъла на Ото се среща в състояния 2 и 3, но при дизела се среща само в състояние 2.

Безразмерната константа на специфичната топлина "k" също е дефинирана и представлява връзката, идентифицирана по отношение на променливите на специфичната топлина при постоянно налягане (C_стр) и специфична топлина при постоянен обем (C_v):

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

Освен това при дизеловите цикли се използва съотношението на прекъсване или затварянето на входящия поток, което е изчислено чрез разделяне на максималния обем на минималния обем по време на процеса на добавяне на топлина, т.е казвам:

\({r_c} = {\left( {\frac{{{V_{max}}}}{{{V_{min}}}}} \right) n\;на\;топлина} } = \frac{ {{V_3}}}{{{V_2}}} = \frac{{{v_3}}}{{{v_2}}}\)

Ефективност на двигатели с вътрешно горене, използващи допускания за постоянна специфична топлина

В газовия цикъл понякога може да се приеме, че работи при предположения за специфична топлина, която не варира в зависимост от температурата, наричана още студен въздух. стандарт (обаче на практика, ако има вариации), и при това съображение топлинната ефективност на всеки цикъл се определя със следното изрази:

За цикъла на Ото

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

Диаграмата вляво показва характерния диапазон от стойности за съотношението на компресия за двигатели с искрово запалване. Вдясно се наблюдава изменението на ефективността на цикъла на Ото като функция на съотношението на компресия (r), за различни стойности на k.

За дизеловия цикъл

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

Където_v е специфичната топлина на въздуха при постоянен обем (° С._v = 0,718kJ/kg. К.) и C._стр специфичната топлина при постоянно налягане, която за въздуха при околни условия е C_стр = 1,005kJ/kg. К.

Диаграмата показва типичния диапазон на съотношението на компресия (r) за дизелови двигатели, както и промяна на топлинната ефективност на цикъла за различни стойности на съотношенията на всмукване (р_{° С}).