Co je Ottoův cyklus a Dieselův cyklus a jak jsou definovány?

Oba představují teoretické modely, které se používají k popisu prováděných termodynamických cyklů plynu. se provádí ve čtyřdobých spalovacích motorech se zážehovým zapalováním a samovznícením respektive.

Ottův cyklus vděčí za svůj název skutečnosti, že to byl německý inženýr Nikolaus Otto, kdo jej v roce 1876 vyvinul. zážehový čtyřdobý motor, založený na modelu navrženém v roce 1862 Beau de Rochas. Tento motor provádí čtyři termodynamické procesy ve dvou mechanických cyklech. Dieselův cyklus byl vyvinut v letech 1890 až 1897 Rudolftem Dieselem v Německu pro dopravní společnost MAN. záměr vyrábět motory s vyšším výkonem než parní stroje z jiných paliv, která nabízejí vyšší účinnosti. Tento výtvor se od té doby zdokonaluje a například v roce 1927 firma BOSH uvedla na trh čerpadlo vstřikování pro diesel, které pomohlo snížit spotřebu paliva, což je hospodárnější než u benzín.

Obrázek ukazuje schéma s nejreprezentativnějšími prvky, které popisují Ottov cyklus

Dieselové cykly teoreticky popisují činnost motorů ECOM (vznětových motorů). Diagram ukazuje některé rysy tohoto cyklu.

Termodynamické procesy spalovacích motorů

Obecné, čtyřdobé pístové motory v praxi se skládají ze čtyř procesů: sání, komprese, expanze a výfuk.

Jak u zážehových motorů, tak u dieselových motorů se během procesu sání otevře sací ventil ve válci, aby mohl vstoupit vzduch (v případě dieselových motorů). Dieselové motory) a vzduch a palivo (u zážehových motorů), ke kterému dochází při atmosférickém tlaku (k tomu je nutný tlak uvnitř válce dolní). Vstup tohoto objemu do válce posouvá píst směrem k dolní úvrati (BDC), dokud nedosáhne maximálního objemu, kdy se uzavře sací ventil.

Během procesu komprese zůstávají sací a výfukové ventily uzavřeny a píst se pohybuje směrem k horní úvrati (TDC), stlačováním obsahu komory až do dosažení objemu minimální. Na rozdíl od zážehových motorů, kde je kompresní poměr kolem než 11, ve válcích dieselových motorů je požadováno, aby tento poměr byl vyšší, přibližně 18. Tato delší dráha umožňuje dosažení vyšších teplot, aby bylo zaručeno samovznícení paliva v následujícím procesu, tj. vzduchu na konci kompresního procesu, musí být vyšší než u samovznícení paliva, aby se mohlo vznítit při vstupu do kompresní komory. spalování.

Dieselové cykly vyžadují větší válce než benzínové nebo plynové motory, takže oba se běžně používají v kamionech nebo velkých dopravních prostředcích a také v agroprůmysl.

Následuje proces expanze nebo silového zdvihu a začíná, když píst dosáhne horní úvrati. U zážehových motorů je spalování prakticky okamžité a probíhá přes zapálení jiskry generované zapalovací svíčkou, která způsobí spalování směsi vzduchu a palivo. V případě motorů ECOM je proces o něco pomalejší, začíná, když je píst v TDC a vstřikovače rozstřikují palivo do komory. Při kontaktu nafty nebo plynového oleje se vzduchem při vysoké teplotě se tato směs vznítí a pohání píst směrem k BDC, přičemž rozpíná spalovací plyny a způsobuje otáčení klikového hřídele motoru. motor.

Na obrázku je válec spalovacího motoru. Můžete vidět ventily a píst.

Nakonec dojde k otevření výfukového ventilu, takže píst se zvedne a vytlačí spaliny a cyklus začíná znovu.

U dieselových motorů se nepoužívají zapalovací svíčky jako u benzínových motorů, protože se používá spalovací proces vzniká díky tlakovým a teplotním podmínkám ve spalovací komoře v okamžiku vstřiku palivo.

Pro zjednodušení výpočtů a termodynamické analýzy uvnitř válců motorů vnitřní spalování, jsou učiněny některé předpoklady, jako jsou standardní úvahy o vzduchu a že procesy jsou reverzibilní. Prostřednictvím těchto prostor se vyvíjejí Ottovy a Dieselovy cykly, které tvoří čtyři procesy, jak ukazuje následující obrázek:

Čtyři procesy čtyřdobých spalovacích motorů.

1-2: izoentropická komprese
2-3: Přidání tepla. V Ottových cyklech se tento děj předpokládá při konstantním objemu (izochora) a v Dieselových cyklech se blíží k jedničce za konstantního tlaku (izobarický).
3-4: Izentropická expanze
4-1: Odmítání tepla s konstantním objemem (izochorální)

Diagram vlevo ukazuje procesy, které probíhají v zážehových motorech. V praxi se jedná o otevřený proces, který vyžaduje nasávání venkovního vzduchu a vytlačování výfukových plynů do okolí. Vpravo je zjednodušení tohoto modelu pozorováno jako uzavřený cyklus tvořený dvěma isentropickými procesy a dvěma izochórami.

V dieselovém cyklu jsou sací a výfukové procesy nahrazeny procesy přidávání tepla s konstantním tlakem a konstantním odváděním tepla. Dále se předpokládá, že kompresní a expanzní procesy jsou izoentropické.

Čtyřdobé spalovací motory se nepoužívají pouze v dopravním průmyslu. Mají také určité aplikace na rezidenční a průmyslové úrovni, například pro použití kogenerace a získávat elektřinu (nebo mechanickou energii) a teplo z jediného primárního zdroje, kterým by bylo palivo použitý. Pro účely kogenerace jsou však běžnější Ottovy cykly a plynové turbíny.

Účinnost čtyřdobých spalovacích motorů

Stejně jako všechny termodynamické cykly nabízejí plynové cykly míru jejich výkonu na základě tepelné účinnosti (η_ter), které ukazují vztah mezi čistou prací wneto dělenou tepelným příkonem qent:

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

Kde:
co_sůl představuje teplo odváděné izochorickým způsobem.

q_sůl Je určena změnou vnitřní energie (u) mezi stavy, ve kterých dochází k procesu odvádění tepla, tedy stavy 4 a 1. Tyto veličiny jsou převzaty z parních tabulek a pro vyhledání hodnot je nutné znát dva údaje o stavu, např. teplotu a tlak. Kromě toho je nutné použít stavovou rovnici (P.v = R.T) a vztah tlaků, objemů nebo tlaků/relativních objemů, ke kterému dochází mezi izoentropickými procesy.

V Ottově cyklech se proces přidávání tepla provádí při konstantním objemu, proto je vstupní teplo q_v je určena změnou vnitřní energie mezi stavy 2 a 3, tedy u₃ - nebo₂:

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

V případě procesu přidávání tepla pro dieselové cykly se předpokládá, že je to při konstantním tlaku a vstupní teplo q_v, se vypočítá ze změny entalpie (h) mezi stavy, kde tento proces probíhá, tedy mezi stavy 3 a 2. S těmito úvahami lze účinnost dieselového cyklu určit pomocí výrazu:

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

Toto schéma ukazuje některé rozdíly mezi Ottovým cyklem a Dieselovým cyklem. Pokud by oba motory mohly pracovat při stejném kompresním poměru (r), Ottovy cykly by byly efektivnější, ale v praxi mají dieselové motory vyšší kompresní poměry.

Kompresní poměr (r) a omezení sání (r_C)

Tato bezrozměrná hodnota je parametrem v cyklech plynu a je vyjádřena jako vazba, která se vyskytuje u maximálního a minimálního objemu válce:

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

V Ottově i Dieselově cyklu je maximální objem dosažen ve stavech 1 nebo 4. Minimální objem v Ottově cyklu se vyskytuje ve stavech 2 a 3, ale v Diesel se vyskytuje pouze ve stavu 2.

Je také definována bezrozměrná konstanta měrných tepl "k" a představuje vztah identifikovaný s ohledem na proměnné měrného tepla při konstantním tlaku (C_p) a měrné teplo při konstantním objemu (C_proti):

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

Kromě toho se v dieselových cyklech používá vypínací poměr nebo uzávěr sání, což je vypočítáno vydělením maximálního objemu minimálním objemem během procesu přidávání tepla, tzn říci:

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

Účinnost spalovacích motorů využívajících konstantní specifické tepelné předpoklady

V plynovém cyklu lze někdy předpokládat, že pracuje za předpokladu specifických teplot, které se nemění s teplotou, nazývané také studený vzduch. standardní (avšak v praxi, pokud existují odchylky), a za tohoto uvážení je tepelná účinnost každého cyklu určena s následujícím výrazy:

Pro Ottoův cyklus

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

Diagram vlevo ukazuje charakteristický rozsah hodnot kompresního poměru pro zážehové motory. Vpravo je pozorována změna účinnosti Ottova cyklu jako funkce kompresního poměru (r) pro různé hodnoty k.

Pro dieselový cyklus

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

Kde_proti je měrné teplo vzduchu při konstantním objemu (C._proti = 0,718 kJ/kg. K.), a C._p měrné teplo při konstantním tlaku, které je pro vzduch za okolních podmínek C_p = 1,005 kJ/kg. K.

Diagram ukazuje typický rozsah kompresního poměru (r) pro vznětové motory a také variace tepelné účinnosti cyklu pro různé hodnoty převodových poměrů sání (r_C).