Što je Ottov ciklus i Dieselov ciklus i kako su definirani?

Oba čine teoretske modele koji se koriste za opisivanje plinskih termodinamičkih ciklusa koji se provode. provodi se u četverotaktnim motorima s unutarnjim izgaranjem s paljenjem svjećicom i samopaljenjem odnosno.

Otto ciklus duguje svoje ime činjenici da je njemački inženjer Nikolaus Otto bio taj koji je 1876. četverotaktni motor na paljenje svjećicom, temeljen na modelu koji je 1862. predložio Beau de Rochas. Ovaj motor izvršava četiri termodinamička procesa u dva mehanička ciklusa. Sa svoje strane, Dieselov ciklus razvio je Rudolft Diesel u Njemačkoj između 1890. i 1897. za transportnu tvrtku MAN, s namjera proizvodnje motora s većim učinkom od parnih strojeva od drugih goriva koja nude veće učinkovitosti. Od tada se ova kreacija usavršavala, a na primjer, 1927. tvrtka BOSH lansirala je pumpu ubrizgavanje za Diesel koji je pomogao smanjiti potrošnju goriva, što je ekonomičnije od benzin.

Slika prikazuje shemu s najreprezentativnijim elementima koji opisuju Otto ciklus

Diesel ciklusi teoretski opisuju rad ECOM motora (motora s kompresijskim paljenjem). Dijagram prikazuje neke značajke ovog ciklusa.

Termodinamički procesi motora s unutarnjim izgaranjem

Općeniti četverotaktni klipni motori u praksi se sastoje od četiri procesa: usisa, kompresije, ekspanzije i ispuha.

I kod motora s paljenjem svjećicom i kod dizel motora, tijekom procesa usisa, usisni ventil se otvara u cilindru kako bi omogućio ulazak zraka (u slučaju dizel motora). Diesel motori) te zrak i gorivo (kod motora s paljenjem svjećicom), koji se javlja pri atmosferskom tlaku (za to je potreban tlak unutar cilindra niži). Ulazak ovog volumena u cilindar pomiče klip prema donjoj mrtvoj točki (BDC) dok se ne postigne maksimalni volumen gdje se zatvara usisni ventil.

Tijekom procesa kompresije, usisni i ispušni ventili ostaju zatvoreni, a klip se pomiče prema gornjoj mrtvoj točki (GMT), komprimirajući sadržaj komore do postizanja volumena minimum. Za razliku od motora s paljenjem svjećicom, gdje je omjer kompresije oko od 11, u cilindrima Dieselovih motora ovaj omjer mora biti veći, otprilike 18. Ovaj dulji put omogućuje postizanje viših temperatura kako bi se zajamčilo samozapaljenje goriva u sljedećem procesu, to jest temperatura zraka na kraju procesa kompresije, mora biti veća od one zadane pri samozapaljenju goriva kako bi se moglo zapaliti pri ulasku u kompresijsku komoru. izgaranje.

Dizelski ciklusi zahtijevaju veće cilindre od benzinskih ili plinskih motora, dakle oba se obično koriste u kamionima ili velikim prijevoznim sredstvima, kao iu agroindustrija.

Proces koji slijedi je ekspanzijski ili pogonski hod, a počinje kada klip dosegne gornju mrtvu točku. Kod motora s paljenjem svjećicom izgaranje je praktički trenutno i odvija se kroz paljenje iskre koju stvara svjećica, što uzrokuje izgaranje mješavine zraka i gorivo. U slučaju ECOM motora, proces je nešto sporiji, počinje kada je klip u TDC i brizgaljke raspršuju gorivo u komoru. Kada dizel ili plinsko ulje dođe u kontakt sa zrakom na visokoj temperaturi, ta se smjesa zapali i pokreće klip prema BDC-u šireći plinove izgaranja i uzrokujući rotaciju radilice motora. motor.

Slika prikazuje cilindar motora s unutarnjim izgaranjem. Možete vidjeti ventile i klip.

Konačno, dolazi do otvaranja ispušnog ventila tako da se klip podiže i istiskuje plinove izgaranja i ciklus ponovno počinje.

Kod dizelskih motora svjećice se ne koriste kao kod benzinskih motora, budući da je proces izgaranja nastaje zahvaljujući uvjetima tlaka i temperature u komori za izgaranje u trenutku ubrizgavanja gorivo.

Kako bi se pojednostavili izračuni i termodinamička analiza unutar cilindara motora unutarnje izgaranje, napravljene su neke pretpostavke, kao što su standardna razmatranja zraka i da su procesi reverzibilan. Kroz ove premise razvijaju se Otto i Diesel ciklusi, kako bi se formirala četiri procesa, kao što je prikazano na sljedećoj slici:

Četiri procesa četverotaktnih motora s unutarnjim izgaranjem.

1-2: izentropska kompresija
2-3: Dodavanje topline. U Ottovim ciklusima ovaj se proces pretpostavlja pri konstantnom volumenu (izohora), au Dieselovim ciklusima približava se onom pri konstantnom tlaku (izobarni).
3-4: izentropsko širenje
4-1: Odbijanje topline konstantnog volumena (izohoralno)

Dijagram lijevo prikazuje procese koji se odvijaju u motorima s paljenjem svjećicom. U praksi je to otvoreni proces koji zahtijeva usisavanje vanjskog zraka i izbacivanje ispušnih plinova u okoliš. S desne strane, pojednostavljenje ovog modela promatra se kao zatvoreni ciklus koji čine dva izentropska procesa i dvije izohore.

U Diesel ciklusu, procesi usisa i ispuha zamijenjeni su procesima dodavanja topline pri stalnom tlaku i odbijanja topline pri stalnom volumenu. Nadalje, pretpostavlja se da su procesi kompresije i ekspanzije izentropski.

Četverotaktni motori s unutarnjim izgaranjem ne koriste se samo u transportnoj industriji. Također imaju određene primjene na stambenoj i industrijskoj razini, na primjer, za primjenu kogeneracije i dobiti električnu (ili mehaničku) energiju i toplinu iz jednog primarnog izvora, a to bi bilo gorivo koristi se. Međutim, za potrebe kogeneracije, Ottovi ciklusi i plinske turbine su češći.

Učinkovitost četverotaktnih motora s unutarnjim izgaranjem

Kao i svi termodinamički ciklusi, plinski ciklusi nude mjeru svoje izvedbe na temelju toplinske učinkovitosti (η_ter), koji pokazuju odnos između neto rada wneto podijeljenog s unosom topline qent:

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

Gdje:
što_sol predstavlja toplinu odbijenu na izohorni način.

q_sol Određena je promjenom unutarnje energije (u) između stanja u kojima se odvija proces odbijanja topline, odnosno stanja 4 i 1. Te se količine uzimaju iz tablica pare, a za lociranje vrijednosti potrebno je znati dva podatka o stanju, primjerice temperaturu i tlak. Dodatno, potrebno je primijeniti jednadžbu stanja (P.v = R.T), te odnos tlakova, volumena ili tlakova/relativnih volumena koji se javlja između izentropskih procesa.

U Ottovim ciklusima, proces dodavanja topline provodi se pri konstantnom volumenu, stoga je ulazna toplina q_u određena je promjenom unutarnje energije između stanja 2 i 3, odnosno u₃ - ili₂:

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

U slučaju procesa dodavanja topline za dizelske cikluse, pretpostavlja se da je to pri konstantnom tlaku, a ulazna toplina q_u, izračunava se iz promjene entalpije (h) između stanja u kojima se taj proces odvija, odnosno između stanja 3 i 2. Uz ova razmatranja, učinkovitost dizelskog ciklusa može se odrediti pomoću izraza:

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

Ova shema pokazuje neke razlike između Otto ciklusa i Dieselovog ciklusa. Kad bi oba motora mogla raditi pri istom omjeru kompresije (r), Otto ciklusi bi bili učinkovitiji, međutim u praksi dizel motori imaju veće omjere kompresije.

Omjer kompresije (r) i granična vrijednost usisa (r_c)

Ova bezdimenzionalna vrijednost je parametar u plinskim ciklusima, a izražava se kao veza koja se javlja preko maksimalnog i minimalnog volumena cilindra:

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

I u Ottovom i u Dieselovom ciklusu maksimalni volumen se postiže u stanjima 1 ili 4. Minimalni volumen u Ottovom ciklusu javlja se u stanjima 2 i 3, ali u Dieselu se javlja samo u stanju 2.

Bezdimenzionalna konstanta specifične topline "k" također je definirana i predstavlja odnos identificiran s obzirom na varijable specifične topline pri konstantnom tlaku (C_str) i specifična toplina pri konstantnom volumenu (C_v):

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

Dodatno, u dizelskim ciklusima koristi se omjer prekida ili zatvaranje usisa, što je izračunava se dijeljenjem maksimalnog volumena s minimalnim volumenom tijekom procesa dodavanja topline, tj reći:

\({r_c} = {\lijevo( {\frac{{{V_{max}}}}{{{V_{min}}}}} \desno) n\;topline} } = \frac{ {{V_3}}}{{{V_2}}} = \frac{{{v_3}}}{{{v_2}}}\)

Učinkovitost motora s unutarnjim izgaranjem uz pretpostavke konstantne specifične topline

U plinskom ciklusu ponekad se može pretpostaviti da radi pod pretpostavkama specifične topline koja ne varira s temperaturom, što se također naziva hladni zrak. standard, (međutim u praksi ako postoji varijacija), i prema ovom razmatranju, toplinska učinkovitost svakog ciklusa određena je sljedećim izrazi:

Za Otto ciklus

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

Dijagram lijevo prikazuje karakteristični raspon vrijednosti za omjer kompresije za motore s paljenjem svjećicom. S desne strane promatra se varijacija učinkovitosti Otto ciklusa kao funkcija omjera kompresije (r), za različite vrijednosti k.

Za Diesel ciklus

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

Gdje_v je specifična toplina zraka pri konstantnom volumenu (C._v = 0,718kJ/kg. K.), i C._str specifična toplina pri konstantnom tlaku, koja za zrak u uvjetima okoline iznosi C_str = 1,005 kJ/kg. K.

Dijagram prikazuje tipični raspon omjera kompresije (r) za dizelske motore, kao i varijacija toplinske učinkovitosti ciklusa za različite vrijednosti omjera smanjenja unosa (r_c).