Hvad er Otto-cyklussen og Diesel-cyklussen, og hvordan defineres de?

Begge udgør de teoretiske modeller, der bruges til at beskrive de gastermodynamiske cyklusser, der udføres. udføres i firetakts forbrændingsmotorer med gnisttænding og selvantændelse henholdsvis.

Otto-cyklussen skylder sit navn til, at det var den tyske ingeniør Nikolaus Otto, der i 1876 udviklede denne. gnisttænding firetaktsmotor, baseret på modellen foreslået i 1862 af Beau de Rochas. Denne motor udfører fire termodynamiske processer i to mekaniske cyklusser. For sin del blev Diesel-cyklussen udviklet mellem 1890 og 1897 af Rudolft Diesel i Tyskland for transportfirmaet MAN, med intention om at fremstille motorer med højere ydeevne end dampmaskiner fra andre brændstoffer, der tilbyder højere effektivitetsgevinster. Denne kreation er blevet forfinet lige siden, og for eksempel lancerede BOSH-virksomheden i 1927 en pumpe indsprøjtning til Diesel, der var med til at reducere brændstofforbruget, hvilket er mere økonomisk end benzin.

Billedet viser et skema med de mest repræsentative elementer, der beskriver en Otto-cyklus

Dieselcyklusser beskriver teoretisk driften af ​​ECOM-motorer (motorer med kompressionstænding). Diagrammet viser nogle funktioner i denne cyklus.

Termodynamiske processer i forbrændingsmotorer

De generelle firetakts stempelmotorer består i praksis af fire processer: indsugning, kompression, ekspansion og udstødning.

I både gnisttændingsmotorer og dieselmotorer åbner indsugningsventilen under indsugningsprocessen i cylinderen for at tillade luft at komme ind (i tilfælde af dieselmotorer). Dieselmotorer) og luft og brændstof (i gnisttændingsmotorer), som opstår ved atmosfærisk tryk (for dette kræves et tryk inde i cylinderen nederste). Indgangen af ​​dette volumen i cylinderen bevæger stemplet mod det nederste dødpunkt (BDC), indtil det maksimale volumen når indsugningsventilen, hvor indsugningsventilen lukker.

Under kompressionsprocessen forbliver indsugnings- og udstødningsventilerne lukkede, og stemplet bevæger sig mod det øvre dødpunkt (TDC), og komprimerer indholdet af kammeret, indtil det når volumen minimum. I modsætning til gnisttændingsmotorer, hvor kompressionsforholdet er ca end 11, i dieselmotorers cylindre skal dette forhold være højere, ca 18. Denne længere vej gør det muligt at nå højere temperaturer for at garantere selvantændelse af brændstoffet i den følgende proces, dvs. luft ved afslutningen af ​​kompressionsprocessen, skal være højere end det, der er givet ved selvantændelse af brændstoffet, så det kan antændes, når det kommer ind i kompressionskammeret. forbrænding.

Dieselcykler kræver større cylindre end benzin- eller gasmotorer, så begge er almindeligt anvendt i lastbiler eller store transportmidler såvel som i agroindustri.

Processen, der følger, er ekspansion eller kraftslag, og den begynder, når stemplet når det øverste dødpunkt. I gnisttændingsmotorer er forbrændingen praktisk talt øjeblikkelig og sker gennem antændelse af en gnist genereret af tændrøret, som forårsager forbrænding af blandingen af ​​luft og brændstof. I tilfældet med ECOM-motorer er processen lidt langsommere, idet den starter, når stemplet er ved TDC, og injektorerne sprøjter brændstof ind i kammeret. Når diesel eller gasolie kommer i kontakt med luft ved høj temperatur, antændes denne blanding og driver stemplet mod BDC, hvilket udvider forbrændingsgasserne og får motorens krumtapaksel til at rotere. motor.

Billedet viser en cylinder i en forbrændingsmotor. Du kan se ventilerne og stemplet.

Til sidst er der åbningen af ​​udstødningsventilen, så stemplet stiger og fortrænger forbrændingsgasserne, og cyklussen begynder igen.

I dieselmotorer bruges tændrør ikke som i benzinmotorer, da forbrændingsprocessen er produceret takket være tryk- og temperaturforholdene i forbrændingskammeret på tidspunktet for indsprøjtning brændstof.

For at forenkle beregninger og termodynamisk analyse inde i cylindrene i motorerne intern forbrænding, gøres nogle forudsætninger, såsom standard luftovervejelser og at processerne er reversibel. Gennem disse lokaler udvikles Otto- og Diesel-cyklusserne til at danne de fire processer, som vist på følgende billede:

Fire-takts forbrændingsmotorers fire processer.

1-2: isentropisk kompression
2-3: Tilførsel af varme. I Otto-cyklusser antages denne proces ved konstant volumen (isokor), og i Diesel-cykler nærmer den sig en ved konstant tryk (isobarisk).
3-4: isentropisk ekspansion
4-1: Konstant volumen varmeafvisning (isokoral)

Diagrammet til venstre viser de processer, der finder sted i gnisttændingsmotorer. I praksis er det en åben proces, der kræver et indtag af udeluft og en udledning af udstødningsgasser til miljøet. Til højre ses forenklingen af ​​denne model som en lukket cyklus dannet af to isentropiske processer og to isochorer.

I dieselcyklussen erstattes indsugnings- og udstødningsprocesserne af processerne med konstant trykvarmetilførsel og konstant volumenvarmeafvisning. Ydermere antages kompressions- og ekspansionsprocesserne at være isentropiske.

Fire-takts forbrændingsmotorer bruges ikke kun i transportindustrien. De har også visse applikationer på bolig- og industriniveau, for eksempel at anvende kraftvarmeproduktion og få elektricitet (eller mekanisk energi) og varme fra en enkelt primær kilde, som ville være brændstoffet Brugt. Til kraftvarmeformål er Otto-cykler og gasturbiner dog mere almindelige.

Virkningsgrad af fire-takts forbrændingsmotorer

Som alle termodynamiske cyklusser tilbyder gascyklusser et mål for deres ydeevne baseret på termisk effektivitet (η_ter), som viser forholdet mellem nettoarbejdet wneto divideret med varmetilførselsmængden:

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

Hvor:
hvad_salt repræsenterer den varme, der afvises på en isokorisk måde.

den q_salt Det bestemmes af ændringen i intern energi (u) mellem de tilstande, hvor varmeafvisningsprocessen finder sted, det vil sige tilstande 4 og 1. Disse mængder er taget fra damptabellerne, og for at lokalisere værdierne er det nødvendigt at kende to oplysninger om tilstanden, for eksempel temperaturen og trykket. Derudover er det nødvendigt at anvende tilstandsligningen (P.v = R.T) og forholdet mellem tryk, volumener eller tryk/relative volumener, der forekommer mellem isentropiske processer.

I Otto-cyklusser udføres varmetilførselsprocessen ved konstant volumen, derfor er den tilførte varme q_i bestemmes af ændringen i indre energi mellem tilstande 2 og 3, det vil sige u₃ - eller₂:

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

I tilfælde af varmetilførselsprocessen for dieselcyklusser antages denne at være ved konstant tryk, og tilførselsvarmen q_i, beregnes ud fra entalpiændringen (h) mellem de tilstande, hvor denne proces finder sted, det vil sige mellem tilstande 3 og 2. Med disse overvejelser kan effektiviteten af ​​en dieselcyklus bestemmes ved hjælp af udtrykket:

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

Dette skema viser nogle forskelle mellem Otto-cyklussen og Diesel-cyklussen. Hvis begge motorer kunne køre med det samme kompressionsforhold (r), ville Otto-cyklusser være mere effektive, men i praksis har dieselmotorer højere kompressionsforhold.

Kompressionsforholdet (r) og indsugningsgrænsen (r_c)

Denne dimensionsløse værdi er en parameter i gascyklusser og udtrykkes som den forbindelse, der opstår over cylinderens maksimale og minimale volumener:

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

I både Otto- og Diesel-cyklussen opnås det maksimale volumen i tilstand 1 eller 4. Minimumsvolumen i Otto-cyklussen forekommer i tilstand 2 og 3, men i Diesel forekommer den kun i tilstand 2.

Den dimensionsløse konstant for specifik varme "k" er også defineret og repræsenterer forholdet identificeret med hensyn til variablerne for specifik varme ved konstant tryk (C_s) og specifik varme ved konstant volumen (C_v):

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

Derudover bruges cutoff-forholdet eller indsugningslukningen i dieselcyklusser, hvilket er beregnes ved at dividere det maksimale volumen med minimumsvolumenet under varmetilsætningsprocessen, dvs sige:

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

Forbrændingsmotorers effektivitet ved brug af konstante specifikke varmeantagelser

I et gaskredsløb kan det nogle gange antages at arbejde under forudsætninger om specifikke varme, der ikke varierer med temperaturen, også kaldet kold luft. standard, (dog i praksis hvis der er variation), og under denne betragtning bestemmes den termiske effektivitet for hver cyklus med følgende udtryk:

Til Otto-cyklussen

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

Diagrammet til venstre viser det karakteristiske værdiområde for kompressionsforholdet for gnisttændingsmotorer. Til højre ses variationen af ​​effektiviteten af ​​en Otto-cyklus som funktion af kompressionsforholdet (r), for forskellige værdier af k.

Til dieselcyklussen

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

Hvor_v er luftens specifikke varme ved konstant volumen (C._v = 0,718 kJ/kg. K.), og C._s den specifikke varme ved konstant tryk, som for luft ved omgivende forhold er C_s = 1,005 kJ/kg. K.

Diagrammet viser det typiske kompressionsforhold (r) for dieselmotorer, såvel som variation af den termiske effektivitet af cyklussen for forskellige værdier af indsugningsskæringsforhold (r_c).