Was ist der Otto-Zyklus und der Diesel-Zyklus und wie werden sie definiert?

Beide stellen die theoretischen Modelle dar, die verwendet werden, um die durchgeführten thermodynamischen Gaszyklen zu beschreiben. in Viertakt-Verbrennungsmotoren mit Fremdzündung und Selbstzündung durchgeführt bzw.

Der Otto-Zyklus verdankt seinen Namen der Tatsache, dass es der deutsche Ingenieur Nikolaus Otto war, der ihn 1876 entwickelte Viertaktmotor mit Fremdzündung, basierend auf dem 1862 von Beau de vorgeschlagenen Modell Roches. Dieser Motor führt vier thermodynamische Prozesse in zwei mechanischen Zyklen aus. Der Dieselkreislauf wurde seinerseits zwischen 1890 und 1897 von Rudolft Diesel in Deutschland für das Transportunternehmen MAN entwickelt, mit dem Absicht, Motoren mit höherer Leistung herzustellen als Dampfmaschinen aus anderen Kraftstoffen, die mehr bieten Wirkungsgrade. Diese Kreation wurde seitdem immer weiter verfeinert, und beispielsweise brachte die Firma BOSH 1927 eine Pumpe auf den Markt Einspritzung für Diesel, die dazu beigetragen hat, den Kraftstoffverbrauch zu senken, was sparsamer ist als die Benzin.

Das Bild zeigt ein Schema mit den repräsentativsten Elementen, die einen Otto-Zyklus beschreiben

Dieselkreisläufe beschreiben theoretisch den Betrieb von ECOM-Motoren (Kompressionszündungsmotoren). Das Diagramm zeigt einige Merkmale dieses Zyklus.

Thermodynamische Prozesse von Verbrennungsmotoren

Die allgemeinen Viertakt-Hubkolbenmotoren bestehen in der Praxis aus vier Prozessen: Einlass, Kompression, Expansion und Auslass.

Sowohl beim Ottomotor als auch beim Dieselmotor öffnet während des Ansaugvorgangs das Einlassventil im Zylinder, um Luft einströmen zu lassen (bei Dieselmotoren). Dieselmotoren) und Luft und Kraftstoff (bei Ottomotoren), die bei atmosphärischem Druck auftreten (dazu ist ein Druck im Zylinder erforderlich untere). Der Eintritt dieses Volumens in den Zylinder bewegt den Kolben in Richtung des unteren Totpunkts (UT), bis das maximale Volumen erreicht ist, wo das Einlassventil schließt.

Während des Kompressionsvorgangs bleiben die Einlass- und Auslassventile geschlossen und der Kolben bewegt sich in Richtung des oberen Totpunkts (OT), wodurch der Inhalt der Kammer komprimiert wird, bis das Volumen erreicht ist Minimum. Im Gegensatz zu Ottomotoren, bei denen das Verdichtungsverhältnis ungefähr ist als 11, in den Zylindern von Dieselmotoren muss dieses Verhältnis ungefähr höher sein 18. Durch diesen längeren Weg können höhere Temperaturen erreicht werden, um im nachfolgenden Prozess die Selbstzündung des Kraftstoffs zu gewährleisten, also die Temperatur der Luft am Ende des Verdichtungsvorgangs, muss höher sein als bei der Selbstentzündung des Kraftstoffs gegeben, damit dieser sich beim Eintritt in den Verdichtungsraum entzünden kann. Verbrennung.

Dieselkreisläufe benötigen also größere Zylinder als Benzin- oder Gasmotoren beide werden üblicherweise in Lastkraftwagen oder großen Transportmitteln sowie in der Agro-Industrie.

Der folgende Vorgang ist der Expansions- oder Krafthub und beginnt, wenn der Kolben den oberen Totpunkt erreicht. Bei Ottomotoren erfolgt die Verbrennung praktisch augenblicklich und erfolgt durch die Zündung eines von der Zündkerze erzeugten Funkens, der die Verbrennung des Gemisches aus Luft u Kraftstoff. Bei ECOM-Motoren ist der Prozess etwas langsamer und beginnt, wenn der Kolben am OT steht und die Einspritzdüsen Kraftstoff in die Kammer sprühen. Wenn Diesel- oder Gasöl mit Luft bei hoher Temperatur in Kontakt kommt, entzündet sich dieses Gemisch und treibt den Kolben in Richtung BDC, expandiert die Verbrennungsgase und bewirkt, dass sich die Motorkurbelwelle dreht. Motor.

Das Bild zeigt einen Zylinder eines Verbrennungsmotors. Sie können die Ventile und den Kolben sehen.

Schließlich wird das Auslassventil geöffnet, sodass der Kolben ansteigt und die Verbrennungsgase verdrängt, und der Kreislauf beginnt von neuem.

In Dieselmotoren werden Zündkerzen nicht wie in Benzinmotoren verwendet, da der Verbrennungsprozess ist entsteht durch die Druck- und Temperaturverhältnisse im Brennraum im Moment der Einspritzung Kraftstoff.

Um die Berechnungen und die thermodynamische Analyse innerhalb der Zylinder der Motoren von zu vereinfachen Verbrennungsmotor, einige Annahmen getroffen werden, wie z. B. Überlegungen zu Standardluft und dass die Prozesse sind reversibel. Durch diese Prämissen werden die Otto- und Dieselkreisläufe entwickelt, um die vier Prozesse zu bilden, wie in der folgenden Abbildung gezeigt:

Die vier Prozesse von Viertakt-Verbrennungsmotoren.

1-2: isentrope Kompression
2-3: Wärmezufuhr. Bei Ottokreisläufen wird dieser Vorgang bei konstantem Volumen (Isochor) angenommen und bei Dieselkreisläufen nähert er sich einem bei konstantem Druck (Isobar).
3-4: isentrope Expansion
4-1: Wärmeabweisung bei konstantem Volumen (isochoral)

Das Diagramm links zeigt die Prozesse, die in Ottomotoren ablaufen. In der Praxis handelt es sich um einen offenen Prozess, der ein Ansaugen von Außenluft und ein Ausstoßen von Abgasen in die Umgebung erfordert. Rechts ist die Vereinfachung dieses Modells als geschlossener Kreislauf zu sehen, der aus zwei isentropischen Prozessen und zwei Isochoren besteht.

Im Dieselzyklus werden die Ansaug- und Abgasprozesse durch Wärmezufuhr bei konstantem Druck und Wärmeabgabe bei konstantem Volumen ersetzt. Außerdem werden die Kompressions- und Expansionsvorgänge als isentrop angenommen.

Viertakt-Verbrennungsmotoren werden nicht nur in der Transportindustrie eingesetzt. Sie haben auch bestimmte Anwendungen auf Wohn- und Industrieebene, zum Beispiel um Kraft-Wärme-Kopplung anzuwenden, und Strom (oder mechanische Energie) und Wärme aus einer einzigen Primärquelle beziehen, die der Brennstoff wäre gebraucht. Für KWK-Zwecke sind jedoch Ottokreisläufe und Gasturbinen gebräuchlicher.

Wirkungsgrad von Viertakt-Verbrennungsmotoren

Wie alle thermodynamischen Zyklen bieten Gaskreisläufe ein Maß für ihre Leistung basierend auf dem thermischen Wirkungsgrad (η_Ter), die den Zusammenhang zwischen dem Netz wneto dividiert durch den Wärmeeintrag qent zeigen:

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

Wo:
Was_Salz stellt die Wärme dar, die auf isochore Weise abgegeben wird.

das Q_Salz Sie wird durch die Änderung der inneren Energie (u) zwischen den Zuständen bestimmt, in denen der Wärmeabgabeprozess stattfindet, d. h. zwischen den Zuständen 4 und 1. Diese Größen werden den Dampftabellen entnommen, und um die Werte zu lokalisieren, muss man zwei Zustandsinformationen kennen, zum Beispiel die Temperatur und den Druck. Zusätzlich ist es erforderlich, die Zustandsgleichung (P.v = R.T) und die Beziehung von Drücken, Volumina oder Drücken/relativen Volumina anzuwenden, die zwischen isentropischen Prozessen auftreten.

Bei Ottokreisläufen erfolgt die Wärmezufuhr bei konstantem Volumen, also der zugeführten Wärme q_In wird bestimmt durch die Änderung der inneren Energie zwischen den Zuständen 2 und 3, also u₃ - oder₂:

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

Beim Wärmezugabeprozess für Dieselkreisläufe wird dieser bei konstantem Druck und der zugeführten Wärme q angenommen_In, berechnet sich aus der Enthalpieänderung (h) zwischen den Zuständen, in denen dieser Prozess stattfindet, also zwischen den Zuständen 3 und 2. Mit diesen Überlegungen lässt sich die Effizienz eines Dieselkreislaufs mit dem Ausdruck bestimmen:

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

Dieses Schema zeigt einige Unterschiede zwischen dem Otto-Zyklus und dem Diesel-Zyklus. Wenn beide Motoren mit dem gleichen Verdichtungsverhältnis (r) arbeiten könnten, wären Otto-Zyklen effizienter, in der Praxis haben Dieselmotoren jedoch höhere Verdichtungsverhältnisse.

Das Verdichtungsverhältnis (r) und die Ansaugunterbrechung (r_C)

Dieser dimensionslose Wert ist ein Parameter in Gaskreisläufen und wird als die Verbindung ausgedrückt, die über das maximale und minimale Volumen der Flasche auftritt:

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

Sowohl im Otto- als auch im Dieselzyklus wird die maximale Lautstärke in den Zuständen 1 oder 4 erreicht. Das minimale Volumen im Otto-Zyklus tritt in den Zuständen 2 und 3 auf, beim Diesel jedoch nur im Zustand 2.

Die dimensionslose Konstante der spezifischen Wärme "k" ist ebenfalls definiert und stellt die Beziehung dar, die in Bezug auf die Variablen der spezifischen Wärme bei konstantem Druck (C_P) und spezifische Wärme bei konstantem Volumen (C_v):

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

Zusätzlich wird in Dieselzyklen das Abschaltverhältnis oder das Einlassschließen verwendet, das heißt berechnet durch Division des maximalen Volumens durch das minimale Volumen während des Wärmezugabeprozesses, d.h sagen:

\({r_{c}} = {\left( {\frac{{{V_{max}}}}{{{V_{min}}}}} \right) n\;of\;heat} } = \frac{ {{V_3}}}{{{V_2}}} = \frac{{{v_3}}}{{{v_2}}}\)

Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren unter Annahme konstanter spezifischer Wärme

In einem Gaskreislauf kann manchmal davon ausgegangen werden, dass er unter Annahmen von spezifischen Wärmen arbeitet, die sich nicht mit der Temperatur ändern, auch als kalte Luft bezeichnet. Standard, (jedoch in der Praxis, wenn es Abweichungen gibt), und unter dieser Überlegung wird der thermische Wirkungsgrad jedes Zyklus wie folgt bestimmt Ausdrücke:

Für den Otto-Zyklus

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

Das Diagramm links zeigt den charakteristischen Wertebereich des Verdichtungsverhältnisses für Ottomotoren. Rechts ist die Variation des Wirkungsgrads eines Otto-Zyklus als Funktion des Verdichtungsverhältnisses (r) für verschiedene Werte von k zu beobachten.

Für den Dieselkreislauf

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

Wo_v ist die spezifische Wärme von Luft bei konstantem Volumen (C._v = 0,718 kJ/kg. K.), und C._P die spezifische Wärme bei konstantem Druck, die für Luft bei Umgebungsbedingungen C ist_P = 1,005 kJ/kg. K.

Das Diagramm zeigt den typischen Bereich des Verdichtungsverhältnisses (r) für Dieselmotoren sowie den Variation des thermischen Wirkungsgrads des Zyklus für verschiedene Werte der Einlassschnittverhältnisse (R_C).