Mi az Otto-ciklus és a Diesel-ciklus, és hogyan definiálják őket?

Mindkettő elméleti modell, amelyet a végrehajtott gáztermodinamikai ciklusok leírására használnak. szikragyújtású és öngyulladásos négyütemű belső égésű motorokon hajtják végre illetőleg.

Az Otto-ciklus annak köszönheti nevét, hogy Nikolaus Otto német mérnök volt az, aki 1876-ban kifejlesztette ezt. szikragyújtású négyütemű motor, a Beau de által 1862-ben javasolt modell alapján Rochas. Ez a motor négy termodinamikai folyamatot hajt végre két mechanikai ciklusban. A Diesel ciklust 1890 és 1897 között a németországi Rudolft Diesel fejlesztette ki az MAN közlekedési vállalat számára. szándéka, hogy a gőzgépeknél nagyobb teljesítményű motorokat gyártsanak más, magasabb kínálatú üzemanyagokból hatékonyságot. Ezt az alkotást azóta is finomították, és például 1927-ben a BOSH cég piacra dobott egy szivattyút. befecskendezés a dízelhez, amely segített csökkenteni az üzemanyag-fogyasztást, ami gazdaságosabb, mint a benzin.

A képen egy séma látható a legreprezentatívabb elemekkel, amelyek egy Otto-ciklust írnak le

A dízelciklusok elméletileg az ECOM-motorok (kompressziós gyújtású motorok) működését írják le. Az ábra ennek a ciklusnak néhány jellemzőjét mutatja be.

Belső égésű motorok termodinamikai folyamatai

Az általános, négyütemű dugattyús motorok a gyakorlatban négy folyamatból állnak: szívó, sűrítés, expanzió és kipufogó.

Mind a szikragyújtású motoroknál, mind a dízelmotoroknál a szívó folyamat során a szívószelep kinyílik a hengerben, hogy lehetővé tegye a levegő bejutását (dízelmotorok esetében). Dízelmotorok) és levegő és üzemanyag (szikragyújtású motorokban), amely légköri nyomáson történik (ehhez a hengeren belüli nyomás szükséges Alsó). Ennek a térfogatnak a hengerbe való belépése a dugattyút az alsó holtpont (BDC) felé mozgatja, amíg el nem éri a maximális térfogatot, ahol a szívószelep bezár.

A kompressziós folyamat során a szívó- és kipufogószelepek zárva maradnak, és a dugattyú mozog a felső holtpont (TDC) felé, a kamra tartalmát a térfogat eléréséig összenyomva minimális. Ellentétben a szikragyújtású motorokkal, ahol a kompressziós arány kb 11-nél, a dízelmotorok hengereiben ennek az aránynak magasabbnak kell lennie, kb 18. Ez a hosszabb út lehetővé teszi magasabb hőmérséklet elérését, ami garantálja az üzemanyag öngyulladását a következő folyamatban, azaz a levegőnek a sűrítési folyamat végén magasabbnak kell lennie, mint a tüzelőanyag öngyulladásánál megadott érték, hogy a sűrítési kamrába belépve meggyulladhasson. égés.

A dízelmotorokhoz nagyobb hengerekre van szükség, mint a benzin- vagy gázmotorokhoz, tehát mindkettőt általában teherautókban vagy nagy szállítóeszközökben használják, valamint a agráripar.

Az ezt követő folyamat az expanzió vagy a teljesítménylöket, és akkor kezdődik, amikor a dugattyú eléri a felső holtpontot. A szikragyújtású motorokban az égés gyakorlatilag azonnali, és a a gyújtógyertya által keltett szikra meggyulladása, amely a levegő és a levegő keverékének elégetését okozza. üzemanyag. Az ECOM motorok esetében a folyamat valamivel lassabb, és akkor indul, amikor a dugattyú TDC-n van, és az injektorok üzemanyagot permeteznek a kamrába. Amikor a gázolaj vagy gázolaj magas hőmérsékleten levegővel érintkezik, ez a keverék meggyullad és a dugattyút a BDC felé hajtja, kitágulva az égési gázokat, és a motor főtengelyének forgását okozza. motor.

A képen egy belső égésű motor hengere látható. Láthatod a szelepeket és a dugattyút.

Végül ott van a kipufogószelep nyitása, így a dugattyú felemelkedik és kiszorítja az égési gázokat, és a ciklus újra kezdődik.

A dízelmotorokban nem használnak gyújtógyertyákat, mint a benzinmotoroknál, mivel az égési folyamat a befecskendezés pillanatában az égéstérben uralkodó nyomás- és hőmérsékletviszonyoknak köszönhetően keletkezik üzemanyag.

A számítások és a termodinamikai elemzések egyszerűsítése érdekében a motorok hengereiben belső égés, bizonyos feltételezések merülnek fel, mint például a szabványos levegő megfontolások, és hogy a folyamatok igen megfordítható. Ezeken a premisszákon keresztül fejlesztik az Otto és Diesel ciklusokat a négy folyamat kialakításához, amint az a következő képen látható:

A négyütemű belső égésű motorok négy folyamata.

1-2: izentropikus tömörítés
2-3: Hő hozzáadása. Az Otto-ciklusokban ezt a folyamatot állandó térfogaton (izokor), a dízel ciklusokban pedig állandó nyomáson (izobár) közelítik meg.
3-4: izentropikus tágulás
4-1: Állandó térfogatú hőelvonás (izokorális)

A bal oldali diagram a szikragyújtású motorokban végbemenő folyamatokat mutatja. A gyakorlatban ez egy nyitott folyamat, amely külső levegő beszívását és a kipufogógázok környezetbe történő kiszorítását igényli. A jobb oldalon ennek a modellnek az egyszerűsítése egy zárt ciklusként látható, amelyet két izentropikus folyamat és két izokor alkot.

A dízelciklusban a szívó és kipufogó folyamatokat az állandó nyomású hőadagolással és az állandó térfogatú hőelvonással helyettesítik. Ezenkívül a tömörítési és tágulási folyamatokat izentropikusnak feltételezzük.

A négyütemű belső égésű motorokat nem csak a közlekedési iparban használják. Lakossági és ipari szinten is vannak bizonyos alkalmazásaik, például kapcsolt energiatermelés alkalmazására, ill villamos energiát (vagy mechanikai energiát) és hőt egyetlen primer forrásból szerezni, amely az üzemanyag lenne használt. Kogenerációs célokra azonban az Otto-ciklusok és a gázturbinák gyakoribbak.

A négyütemű belső égésű motorok hatásfoka

Mint minden termodinamikai ciklus, a gázciklusok is a hőhatásfok (η) alapján mérik teljesítményüket_ter), amelyek azt mutatják, hogy a hálózati wneto hányados a hőbeviteli qenttel:

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

Ahol:
mit_só az izochor módon elutasított hőt jelenti.

a q_só A belső energia (u) változása határozza meg azon állapotok között, ahol a hőelvonási folyamat végbemegy, azaz a 4. és 1. állapot között. Ezeket a mennyiségeket a gőztáblázatokból veszik, és az értékek lokalizálásához két állapotinformációt kell tudni, például a hőmérsékletet és a nyomást. Ezenkívül alkalmazni kell az állapotegyenletet (P.v = R.T), valamint az izentropikus folyamatok között előforduló nyomások, térfogatok vagy nyomások/relatív térfogatok összefüggését.

Az Otto-ciklusokban a hőadagolási folyamat állandó térfogaton történik, ezért a bemenő hő q_{ban ben} a 2. és 3. állapot közötti belső energia változása határozza meg, azaz u₃ - vagy₂:

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

A dízelciklusok hőadagolásának folyamata esetén azt feltételezzük, hogy ez állandó nyomáson történik, és a bemenő hő q_{ban ben}, az entalpiaváltozásból (h) számítjuk ki azon állapotok között, ahol ez a folyamat végbemegy, vagyis a 3. és 2. állapotok között. Ezekkel a megfontolásokkal a dízelciklus hatékonysága a következő kifejezéssel határozható meg:

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

Ez a vázlat néhány különbséget mutat be az Otto ciklus és a dízel ciklus között. Ha mindkét motor azonos sűrítési arányon (r) működhetne, az Otto-ciklusok hatékonyabbak lennének, de a gyakorlatban a dízelmotorok sűrítési aránya magasabb.

A kompressziós arány (r) és a szívónyílás (r_c)

Ez a dimenzió nélküli érték a gázciklusok paramétere, és a palack maximális és minimális térfogata felett előforduló kapcsolatként fejeződik ki:

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

Mind az Otto, mind a Diesel ciklusban a maximális térfogat az 1-es vagy 4-es állapotban érhető el. Az Otto-ciklusban a minimális térfogat a 2. és a 3. állapotban fordul elő, dízelben viszont csak a 2. állapotban.

A "k" fajhő dimenzió nélküli állandója szintén meg van határozva, és az állandó nyomáson (C_p) és fajhő állandó térfogaton (C_v):

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

Ezenkívül a dízel-ciklusoknál a levágási arányt vagy a szívónyílás zárását használják, ami az úgy számítjuk ki, hogy a hőadagolási folyamat során elosztjuk a maximális térfogatot a minimális térfogattal, azaz mond:

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

A belső égésű motorok hatékonysága állandó fajlagos hőfeltevésekkel

Egy gázciklusban néha feltételezhető, hogy olyan fajlagos hőek feltételezései mellett működik, amelyek nem változnak a hőmérséklettől, más néven hideg levegő. szabvány, (a gyakorlatban azonban, ha van eltérés), és ennek figyelembevételével az egyes ciklusok termikus hatásfoka a következőkkel kerül meghatározásra kifejezések:

Az Otto ciklushoz

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

A bal oldali diagram a szikragyújtású motorok kompressziós arányának jellemző értéktartományát mutatja. A jobb oldalon egy Otto-ciklus hatékonyságának változását figyeljük meg a kompressziós arány (r) függvényében, különböző k értékeknél.

A Diesel ciklushoz

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

Ahol_v a levegő fajhője állandó térfogat mellett (C._v = 0,718 kJ/kg. K.), és C._p a fajhő állandó nyomáson, ami levegőre környezeti feltételek mellett C_p = 1,005 kJ/kg. K.

A diagram a dízelmotorok kompressziós arányának (r) jellemző tartományát mutatja, valamint a a ciklus termikus hatásfokának változása a bemeneti csökkentési arányok különböző értékeihez (r_c).