Τι είναι ο κύκλος Otto και ο κύκλος Diesel και πώς ορίζονται;

Έβελιν Μέιτ Μάριν
Βιομηχανικός Μηχανικός, MSc στη Φυσική, και EdD

Και τα δύο αποτελούν τα θεωρητικά μοντέλα που χρησιμοποιούνται για την περιγραφή των θερμοδυναμικών κύκλων αερίων που εκτελούνται. πραγματοποιείται σε τετράχρονους κινητήρες εσωτερικής καύσης με ανάφλεξη με σπινθήρα και αυτανάφλεξη αντίστοιχα.

Ο κύκλος Otto οφείλει το όνομά του στο γεγονός ότι ήταν ο Γερμανός μηχανικός Nikolaus Otto που το 1876 ανέπτυξε αυτό. τετράχρονος κινητήρας ανάφλεξης με σπινθήρα, βασισμένος στο μοντέλο που προτάθηκε το 1862 από τον Beau de Ρόχας. Αυτός ο κινητήρας εκτελεί τέσσερις θερμοδυναμικές διεργασίες σε δύο μηχανικούς κύκλους. Από την πλευρά του, ο κύκλος Diesel αναπτύχθηκε μεταξύ 1890 και 1897 από τον Rudolft Diesel στη Γερμανία για την εταιρεία μεταφορών MAN, με πρόθεση να κατασκευάζονται κινητήρες με υψηλότερες επιδόσεις από ατμομηχανές από άλλα καύσιμα που προσφέρουν υψηλότερες επιδόσεις αποτελεσματικότητας. Αυτή η δημιουργία έχει τελειοποιηθεί από τότε, και για παράδειγμα, το 1927 η εταιρεία BOSH κυκλοφόρησε μια αντλία ψεκασμός για Diesel που βοήθησε στη μείωση της κατανάλωσης καυσίμου, που είναι πιο οικονομικό από το βενζίνη.

Η εικόνα δείχνει ένα σχήμα με τα πιο αντιπροσωπευτικά στοιχεία που περιγράφουν έναν κύκλο Otto

Οι κύκλοι ντίζελ περιγράφουν θεωρητικά τη λειτουργία των κινητήρων ECOM (κινητήρες ανάφλεξης με συμπίεση). Το διάγραμμα δείχνει ορισμένα χαρακτηριστικά αυτού του κύκλου.

Θερμοδυναμικές διεργασίες κινητήρων εσωτερικής καύσης

Οι γενικοί, τετράχρονοι παλινδρομικοί κινητήρες στην πράξη, αποτελούνται από τέσσερις διαδικασίες: εισαγωγή, συμπίεση, εκτόνωση και εξαγωγή.

Και στους κινητήρες με ανάφλεξη με σπινθήρα και στους κινητήρες ντίζελ, κατά τη διαδικασία εισαγωγής, η βαλβίδα εισαγωγής ανοίγει στον κύλινδρο για να επιτρέψει την είσοδο αέρα (στην περίπτωση των κινητήρων ντίζελ). Κινητήρες ντίζελ) και αέρας και καύσιμο (σε κινητήρες ανάφλεξης με σπινθήρα), που εμφανίζεται σε ατμοσφαιρική πίεση (για αυτό, απαιτείται πίεση μέσα στον κύλινδρο πιο χαμηλα). Η είσοδος αυτού του όγκου στον κύλινδρο μετακινεί το έμβολο προς το κάτω νεκρό σημείο (BDC) μέχρι να φτάσει στον μέγιστο όγκο όπου κλείνει η βαλβίδα εισαγωγής.

Κατά τη διαδικασία συμπίεσης, οι βαλβίδες εισαγωγής και εξαγωγής παραμένουν κλειστές και το έμβολο κινείται προς το ανώτερο νεκρό σημείο (TDC), συμπιέζοντας το περιεχόμενο του θαλάμου μέχρι να φτάσει στον όγκο ελάχιστο. Σε αντίθεση με τους κινητήρες ανάφλεξης με σπινθήρα, όπου ο λόγος συμπίεσης είναι γύρω από 11, στους κυλίνδρους των κινητήρων ντίζελ αυτή η αναλογία απαιτείται να είναι υψηλότερη, περίπου 18. Αυτή η μακρύτερη διαδρομή επιτρέπει την επίτευξη υψηλότερων θερμοκρασιών για να εγγυηθεί την αυτανάφλεξη του καυσίμου στην ακόλουθη διαδικασία, δηλαδή τη θερμοκρασία του ο αέρας στο τέλος της διαδικασίας συμπίεσης, πρέπει να είναι υψηλότερος από αυτόν που δίνεται στην αυτανάφλεξη του καυσίμου, ώστε να μπορεί να αναφλεγεί κατά την είσοδο στο θάλαμο συμπίεσης. καύση.

Έτσι, οι κύκλοι ντίζελ απαιτούν μεγαλύτερους κυλίνδρους από τους κινητήρες βενζίνης ή αερίου και τα δύο χρησιμοποιούνται συνήθως σε φορτηγά ή μεγάλα μέσα μεταφοράς καθώς και σε γεωργοβιομηχανία.

Η διαδικασία που ακολουθεί είναι αυτή της εκτόνωσης ή της διαδρομής ισχύος, και ξεκινά όταν το έμβολο φτάσει στο κορυφαίο νεκρό σημείο. Στους κινητήρες ανάφλεξης με σπινθήρα, η καύση είναι πρακτικά στιγμιαία και συμβαίνει μέσω του ανάφλεξη ενός σπινθήρα που δημιουργείται από το μπουζί, που προκαλεί την καύση του μείγματος αέρα και καύσιμα. Στην περίπτωση των κινητήρων ECOM, η διαδικασία είναι ελαφρώς πιο αργή, ξεκινώντας όταν το έμβολο βρίσκεται στο TDC και τα μπεκ ψεκάζουν καύσιμο μέσα στο θάλαμο. Όταν το ντίζελ ή το πετρέλαιο εσωτερικής καύσης έρχεται σε επαφή με αέρα σε υψηλή θερμοκρασία, αυτό το μείγμα αναφλέγεται και οδηγεί το έμβολο προς το BDC διαστέλλοντας τα αέρια καύσης και προκαλώντας την περιστροφή του στροφαλοφόρου άξονα του κινητήρα. κινητήρας.

Η εικόνα δείχνει έναν κύλινδρο κινητήρα εσωτερικής καύσης. Μπορείτε να δείτε τις βαλβίδες και το έμβολο.

Τέλος, υπάρχει το άνοιγμα της βαλβίδας εξαγωγής ώστε το έμβολο να ανέβει και να εκτοπίσει τα αέρια της καύσης και ο κύκλος να ξαναρχίσει.

Στους κινητήρες ντίζελ, τα μπουζί δεν χρησιμοποιούνται όπως στους βενζινοκινητήρες, καθώς η διαδικασία καύσης είναι που παράγεται χάρη στις συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας στον θάλαμο καύσης τη στιγμή της έγχυσης καύσιμα.

Για να απλοποιηθούν οι υπολογισμοί και η θερμοδυναμική ανάλυση στο εσωτερικό των κυλίνδρων των κινητήρων του εσωτερικής καύσης, γίνονται ορισμένες υποθέσεις, όπως οι τυπικές εκτιμήσεις αέρα και ότι οι διαδικασίες είναι αναστρεπτός. Μέσα από αυτές τις εγκαταστάσεις, αναπτύσσονται οι κύκλοι Otto και Diesel, για να σχηματίσουν τις τέσσερις διαδικασίες, όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα:

Οι τέσσερις διαδικασίες των τετράχρονων κινητήρων εσωτερικής καύσης.

1-2: ισεντροπική συμπίεση
2-3: Προσθήκη θερμότητας. Στους κύκλους Otto, αυτή η διαδικασία υποτίθεται σε σταθερό όγκο (ισόχωρη) και στους κύκλους Diesel προσεγγίζει έναν σε σταθερή πίεση (ισοβαρική).
3-4: ισεντροπική διαστολή
4-1: Απόρριψη θερμότητας σταθερού όγκου (ισοχωρική)

Το διάγραμμα στα αριστερά δείχνει τις διεργασίες που λαμβάνουν χώρα σε κινητήρες ανάφλεξης με σπινθήρα. Στην πράξη, είναι μια ανοιχτή διαδικασία που απαιτεί πρόσληψη εξωτερικού αέρα και αποβολή των καυσαερίων στο περιβάλλον. Στα δεξιά, η απλοποίηση αυτού του μοντέλου παρατηρείται ως ένας κλειστός κύκλος που σχηματίζεται από δύο ισεντροπικές διεργασίες και δύο ισόχωρες.

Στον κύκλο Diesel, οι διαδικασίες εισαγωγής και εξαγωγής αντικαθίστανται από αυτές της προσθήκης θερμότητας σταθερής πίεσης και της απόρριψης θερμότητας σταθερού όγκου. Επιπλέον, οι διαδικασίες συμπίεσης και διαστολής θεωρούνται ισεντροπικές.

Οι τετράχρονοι κινητήρες εσωτερικής καύσης δεν χρησιμοποιούνται μόνο στη βιομηχανία μεταφορών. Έχουν επίσης ορισμένες εφαρμογές σε οικιακό και βιομηχανικό επίπεδο, για παράδειγμα, για την εφαρμογή συμπαραγωγής και να λάβουν ηλεκτρική ενέργεια (ή μηχανική ενέργεια) και θερμότητα από μια μοναδική πρωτογενή πηγή, η οποία θα ήταν το καύσιμο μεταχειρισμένος. Ωστόσο, για σκοπούς συμπαραγωγής, οι κύκλοι Otto και οι αεριοστρόβιλοι είναι πιο συνηθισμένοι.

Απόδοση τετράχρονων κινητήρων εσωτερικής καύσης

Όπως όλοι οι θερμοδυναμικοί κύκλοι, οι κύκλοι αερίου προσφέρουν ένα μέτρο της απόδοσής τους με βάση τη θερμική απόδοση (η_τερ), τα οποία δείχνουν τη σχέση μεταξύ του καθαρού έργου wneto διαιρούμενο με το qent εισόδου θερμότητας:

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

Οπου:
τι_άλας αντιπροσωπεύει τη θερμότητα που απορρίπτεται με ισοχορικό τρόπο.

το q_άλας Καθορίζεται από την αλλαγή της εσωτερικής ενέργειας (u) μεταξύ των καταστάσεων όπου συμβαίνει η διαδικασία απόρριψης θερμότητας, δηλαδή των καταστάσεων 4 και 1. Αυτές οι ποσότητες λαμβάνονται από τους πίνακες ατμού και για να εντοπιστούν οι τιμές, είναι απαραίτητο να γνωρίζουμε δύο πληροφορίες για την κατάσταση, για παράδειγμα, τη θερμοκρασία και την πίεση. Επιπλέον, απαιτείται η εφαρμογή της εξίσωσης κατάστασης (P.v = R.T) και της σχέσης πιέσεων, όγκων ή πιέσεων/σχετικών όγκων που εμφανίζεται μεταξύ ισεντροπικών διεργασιών.

Στους κύκλους Otto, η διαδικασία προσθήκης θερμότητας πραγματοποιείται σε σταθερό όγκο, επομένως η θερμότητα εισόδου q_σε καθορίζεται από την αλλαγή της εσωτερικής ενέργειας μεταξύ των καταστάσεων 2 και 3, δηλαδή u₃ - ή₂:

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

Στην περίπτωση της διαδικασίας προσθήκης θερμότητας για κύκλους Diesel, αυτή θεωρείται ότι είναι σε σταθερή πίεση και η θερμότητα εισόδου q_σε, υπολογίζεται από τη μεταβολή της ενθαλπίας (h) μεταξύ των καταστάσεων όπου λαμβάνει χώρα αυτή η διαδικασία, δηλαδή μεταξύ των καταστάσεων 3 και 2. Με αυτές τις σκέψεις, η απόδοση ενός κύκλου Diesel μπορεί να προσδιοριστεί χρησιμοποιώντας την έκφραση:

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

Αυτό το σχηματικό δείχνει κάποιες διαφορές μεταξύ του κύκλου Otto και του κύκλου Diesel. Εάν και οι δύο κινητήρες μπορούσαν να λειτουργήσουν με τον ίδιο λόγο συμπίεσης (r), οι κύκλοι Otto θα ήταν πιο αποτελεσματικοί, ωστόσο στην πράξη, οι κινητήρες ντίζελ έχουν υψηλότερους λόγους συμπίεσης.

Ο λόγος συμπίεσης (r) και η αποκοπή εισαγωγής (r_ντο)

Αυτή η αδιάστατη τιμή είναι μια παράμετρος στους κύκλους αερίων και εκφράζεται ως η σύνδεση που εμφανίζεται στον μέγιστο και ελάχιστο όγκο του κυλίνδρου:

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

Και στους δύο κύκλους Otto και Diesel, ο μέγιστος όγκος λαμβάνεται στις καταστάσεις 1 ή 4. Ο ελάχιστος όγκος στον κύκλο Otto εμφανίζεται στις καταστάσεις 2 και 3, αλλά στο Diesel εμφανίζεται μόνο στην κατάσταση 2.

Η αδιάστατη σταθερά ειδικών θερμοτήτων "k" ορίζεται επίσης και αντιπροσωπεύει τη σχέση που προσδιορίζεται σε σχέση με τις μεταβλητές ειδικής θερμότητας σε σταθερή πίεση (C_Π) και ειδική θερμότητα σε σταθερό όγκο (C_v):

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

Επιπλέον, στους κύκλους Diesel χρησιμοποιείται ο λόγος αποκοπής ή το κλείσιμο εισαγωγής, το οποίο είναι υπολογίζεται διαιρώντας τον μέγιστο όγκο με τον ελάχιστο όγκο κατά τη διαδικασία προσθήκης θερμότητας, δηλαδή λένε:

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

Απόδοση κινητήρων εσωτερικής καύσης με χρήση σταθερών υποθέσεων ειδικής θερμότητας

Σε έναν κύκλο αερίου, μερικές φορές μπορεί να θεωρηθεί ότι λειτουργεί με υποθέσεις ειδικών θερμοτήτων που δεν ποικίλλουν ανάλογα με τη θερμοκρασία, που ονομάζεται επίσης ψυχρός αέρας. στάνταρ, (όμως στην πράξη, εάν υπάρχει διακύμανση), και με βάση αυτό το σκεπτικό, η θερμική απόδοση κάθε κύκλου προσδιορίζεται με τα ακόλουθα εκφράσεις:

Για τον κύκλο Otto

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

Το διάγραμμα στα αριστερά δείχνει το χαρακτηριστικό εύρος τιμών για τον λόγο συμπίεσης για κινητήρες ανάφλεξης με σπινθήρα. Στα δεξιά, η μεταβολή της απόδοσης ενός κύκλου Otto παρατηρείται ως συνάρτηση του λόγου συμπίεσης (r), για διαφορετικές τιμές του k.

Για τον κύκλο του Diesel

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

Οπου_v είναι η ειδική θερμότητα του αέρα σε σταθερό όγκο (ΝΤΟ._v = 0,718 kJ/kg. Κ.), και Γ._Π η ειδική θερμότητα σε σταθερή πίεση, η οποία για τον αέρα σε συνθήκες περιβάλλοντος είναι C_Π = 1,005 kJ/kg. Κ.

Το διάγραμμα δείχνει το τυπικό εύρος του λόγου συμπίεσης (r) για κινητήρες ντίζελ, καθώς και το μεταβολή της θερμικής απόδοσης του κύκλου για διαφορετικές τιμές αναλογιών κοπής εισαγωγής (ρ_ντο).