Mis on Otto tsükkel ja diislitsükkel ning kuidas neid defineeritakse?

Mõlemad moodustavad teoreetilised mudelid, mida kasutatakse gaasi termodünaamiliste tsüklite kirjeldamiseks. viiakse läbi otto- ja isesüttimisega neljataktilistel sisepõlemismootoritel vastavalt.

Otto tsükkel võlgneb oma nime sellele, et selle 1876. aastal töötas välja saksa insener Nikolaus Otto. sädesüütega neljataktiline mootor, mis põhineb Beau de 1862. aastal välja pakutud mudelil Rochas. See mootor teostab nelja termodünaamilist protsessi kahe mehaanilise tsükli jooksul. Omalt poolt töötas diislitsükli aastatel 1890–1897 välja Rudolft Diesel Saksamaal transpordiettevõtte MAN jaoks. kavatsusest toota teistest kõrgemat pakkumist võimaldavatest kütustest mootoreid, mille jõudlus on suurem kui aurumasinatel Kasutegurid. Seda loomingut on sellest ajast peale täiustatud ja näiteks 1927. aastal tõi BOSH ettevõte turule pumba sissepritse diislile, mis aitas vähendada kütusekulu, mis on ökonoomsem kui bensiin.

Pildil on skeem kõige esinduslikumate elementidega, mis kirjeldavad Otto tsüklit

Diiseltsüklid kirjeldavad teoreetiliselt ECOM-i mootorite (diiselmootorite) tööd. Diagramm näitab selle tsükli mõningaid omadusi.

Sisepõlemismootorite termodünaamilised protsessid

Üldised neljataktilised kolbmootorid koosnevad praktikas neljast protsessist: sisselaske-, surve-, paisu- ja väljalaskeprotsessist.

Nii ottomootorites kui ka diiselmootorites avaneb sisselaskeprotsessi ajal silindris sisselaskeklapp, et võimaldada õhu sisenemist (diiselmootorite puhul). diiselmootorid) ning õhk ja kütus (ottomootorites), mis tekivad atmosfäärirõhul (selleks on vaja rõhku silindris madalam). Selle mahu sisenemine silindrisse liigutab kolvi alumise surnud punkti (BDC) suunas, kuni jõuab maksimaalse mahuni, kus sisselaskeklapp sulgub.

Kompressiooniprotsessi ajal jäävad sisselaske- ja väljalaskeklapid suletuks ning kolb liigub ülemise surnud punkti (TDC) suunas, surudes kambri sisu kokku kuni mahuni miinimum. Erinevalt ottomootoritest, kus surveaste on umbes kui 11, diiselmootorite silindrites peab see suhe olema suurem, ligikaudu 18. See pikem tee võimaldab saavutada kõrgemaid temperatuure, et tagada kütuse isesüttimine järgmises protsessis, st kütuse temperatuur. surumisprotsessi lõpus peab õhk olema suurem kui kütuse isesüttimisel antud, et see saaks survekambrisse sisenedes süttida. põlemine.

Diiselmootoritel on vaja suuremaid silindreid kui bensiini- või gaasimootoritel mõlemat kasutatakse tavaliselt veoautodes või suurtes transpordivahendites, samuti agrotööstus.

Järgnev protsess on paisumise või jõutakti protsess ja see algab siis, kui kolb jõuab ülemisse surnud punkti. Sädesüütega mootorites on põlemine praktiliselt hetkeline ja toimub läbi süüteküünla tekitatud sädeme süttimine, mis põhjustab õhu ja õhu segu põlemist. kütust. ECOM-i mootorite puhul on protsess veidi aeglasem, alustades siis, kui kolb on TDC-s ja pihustid pritsivad kütust kambrisse. Diisli või gaasiõli kokkupuutel kõrgel temperatuuril õhuga süttib see segu ja ajab kolvi BDC suunas, paisutades põlemisgaase ja pannes mootori väntvõlli pöörlema. mootor.

Pildil on sisepõlemismootori silinder. Näete klappe ja kolvi.

Lõpuks avatakse väljalaskeklapp, nii et kolb tõuseb üles ja tõrjub põlemisgaasid välja ning tsükkel algab uuesti.

Diiselmootorites ei kasutata süüteküünlaid nagu bensiinimootorites, kuna põlemisprotsess on toodetud tänu rõhu- ja temperatuuritingimustele põlemiskambris süstimise hetkel kütust.

Arvutuste ja termodünaamilise analüüsi lihtsustamiseks mootorite silindrites sisepõlemist, tehakse mõned eeldused, näiteks standardsed õhukaalutlused ja et protsessid on pööratav. Nende ruumide kaudu arendatakse Otto ja Dieseli tsükleid, et moodustada neli protsessi, nagu on näidatud järgmisel pildil:

Neljataktiliste sisepõlemismootorite neli protsessi.

1-2: isentroopne kokkusurumine
2-3: Soojuse lisamine. Otto tsüklites eeldatakse seda protsessi konstantsel ruumalal (isokoor) ja diisli tsüklites läheneb see konstantsel rõhul (isobaariline).
3-4: isentroopiline paisumine
4-1: pideva mahu soojuse tagasilükkamine (isokoraalne)

Vasakpoolne diagramm näitab ottomootorites toimuvaid protsesse. Praktikas on tegemist avatud protsessiga, mis nõuab välisõhu sissevõtmist ja heitgaaside väljasaatmist keskkonda. Paremal vaadeldakse selle mudeli lihtsustamist suletud tsüklina, mille moodustavad kaks isentroopset protsessi ja kaks isohoori.

Diisli tsüklis asendatakse sisse- ja väljalaskeprotsessid pideva rõhuga soojuse lisamise ja konstantse mahuga soojuse tagasilükkamisega. Lisaks eeldatakse, et tihendus- ja paisumisprotsessid on isentroopsed.

Neljataktilisi sisepõlemismootoreid ei kasutata mitte ainult transporditööstuses. Neil on ka teatud rakendused elamu- ja tööstustasandil, näiteks koostootmise rakendamiseks ja saada elektrit (või mehaanilist energiat) ja soojust ühest primaarallikast, mis oleks kütus kasutatud. Koostootmise eesmärgil on aga enam levinud Otto tsüklid ja gaasiturbiinid.

Neljataktiliste sisepõlemismootorite kasutegur

Nagu kõik termodünaamilised tsüklid, pakuvad gaasitsüklid nende toimivuse mõõtmist, mis põhineb termilisel efektiivsusel (η_ter), mis näitavad suhet võrgu wneto jagamisel soojussisendiga qent:

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

Kus:
mida_soola tähistab isohooriliselt tagasi lükatud soojust.

q_soola Selle määrab siseenergia (u) muutus nende olekute vahel, kus toimub soojuse hülgamise protsess, see tähendab olekute 4 ja 1 vahel. Need suurused on võetud aurutabelitest ja väärtuste asukoha leidmiseks on vaja teada kahte olekuinfot, näiteks temperatuuri ja rõhku. Lisaks on vaja rakendada olekuvõrrandit (P.v = R.T) ja rõhkude, mahtude või rõhkude/suhteliste mahtude suhet, mis toimub isentroopsete protsesside vahel.

Otto tsüklites toimub soojuse lisamise protsess konstantsel mahul, mistõttu sisendsoojus q_sisse määrab siseenergia muutus olekute 2 ja 3 vahel, see tähendab u₃ - või₂:

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

Diislitsüklite soojuse lisamise protsessi puhul eeldatakse, et see on konstantsel rõhul ja sisendsoojus q_sisse, arvutatakse entalpia muutuse (h) põhjal olekute vahel, kus see protsess toimub, st olekute 3 ja 2 vahel. Neid kaalutlusi arvesse võttes saab diislitsükli efektiivsust määrata järgmise avaldise abil:

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

See skeem näitab mõningaid erinevusi Otto tsükli ja diisli tsükli vahel. Kui mõlemad mootorid saaksid töötada sama surveastmega (r), oleksid Otto tsüklid tõhusamad, kuid praktikas on diiselmootoritel suurem surveaste.

Surveaste (r) ja sisselaske piirväärtus (r_c)

See mõõtmeteta väärtus on gaasitsüklite parameeter ja seda väljendatakse lülina, mis tekib ballooni maksimaalse ja minimaalse ruumala vahel:

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

Nii Otto kui ka Diisli tsüklites saadakse maksimaalne maht olekutes 1 või 4. Otto tsükli minimaalne maht esineb olekutes 2 ja 3, diislikütusel aga ainult olekus 2.

Samuti on määratletud erisoojuste mõõtmeteta konstant "k" ja see näitab seost, mis on tuvastatud konstantse rõhu (C) erisoojuse muutujate suhtes_lk) ja erisoojus konstantsel ruumalal (C_v):

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

Lisaks kasutatakse diislikütuse tsüklites väljalülitussuhet või sisselaske sulgemist, mis on arvutatakse maksimaalse mahu jagamisel minimaalse mahuga soojuse lisamise käigus, st ütle:

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

Sisepõlemismootorite kasutegur, kasutades konstantse erisoojuse eeldusi

Gaasitsüklis võib mõnikord eeldada, et see töötab spetsiifiliste kuumuste eeldusel, mis ei muutu sõltuvalt temperatuurist, mida nimetatakse ka külmaks õhuks. standard (kui aga praktikas esineb erinevusi) ja seda arvesse võttes määratakse iga tsükli soojustõhusus järgmisega väljendid:

Otto tsükli jaoks

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

Vasakpoolne diagramm näitab ottomootorite surveastme iseloomulikku väärtusvahemikku. Paremal vaadeldakse Otto tsükli efektiivsuse muutumist tihendusastme (r) funktsioonina k erinevate väärtuste korral.

Diisli tsükli jaoks

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

Kus_v on õhu erisoojus konstantsel ruumalal (C._v = 0,718 kJ/kg. K.) ja C._lk erisoojus konstantsel rõhul, mis ümbritseva õhu korral on C_lk = 1,005 kJ/kg. K.

Diagramm näitab tüüpilist surveastme (r) vahemikku diiselmootoritele, samuti tsükli termilise efektiivsuse varieerumine sisselaskeava kärpimissuhte erinevate väärtuste korral (r_c).