Apa itu siklus Otto dan siklus Diesel, dan bagaimana definisinya?

Keduanya merupakan model teoritis yang digunakan untuk menggambarkan siklus termodinamika gas yang dilakukan. dilakukan dalam mesin pembakaran internal empat langkah dengan pengapian percikan dan penyalaan sendiri masing-masing.

Siklus Otto berutang namanya pada fakta bahwa insinyur Jerman Nikolaus Otto yang pada tahun 1876 mengembangkan ini mesin empat langkah dengan percikan api, berdasarkan model yang diusulkan pada tahun 1862 oleh Beau de Rochas. Mesin ini menjalankan empat proses termodinamika dalam dua siklus mekanis. Untuk bagiannya, siklus Diesel dikembangkan antara tahun 1890 dan 1897 oleh Rudolft Diesel di Jerman untuk perusahaan transportasi MAN, dengan niat untuk memproduksi mesin dengan kinerja lebih tinggi dari mesin uap dari bahan bakar lain yang menawarkan lebih tinggi efisiensi. Kreasi ini telah disempurnakan sejak itu, dan misalnya, pada tahun 1927 perusahaan BOSH meluncurkan sebuah pompa injeksi untuk Diesel yang membantu mengurangi konsumsi bahan bakar, yang lebih ekonomis daripada bensin.

Gambar menunjukkan skema dengan elemen paling representatif yang menggambarkan siklus Otto

Siklus diesel secara teoritis menggambarkan pengoperasian mesin ECOM (mesin penyalaan kompresi). Diagram menunjukkan beberapa fitur dari siklus ini.

Proses termodinamika mesin pembakaran internal

Secara umum, mesin bolak-balik empat langkah dalam praktiknya, terdiri dari empat proses: pemasukan, kompresi, ekspansi, dan pembuangan.

Baik pada mesin pengapian percikan maupun mesin Diesel, selama proses pemasukan, katup masuk terbuka di dalam silinder untuk memungkinkan udara masuk (dalam kasus mesin diesel). Mesin diesel) dan udara dan bahan bakar (dalam mesin pengapian percikan), yang terjadi pada tekanan atmosfer (untuk ini, diperlukan tekanan di dalam silinder lebih rendah). Masuknya volume ini ke dalam silinder menggerakkan piston ke arah bottom dead center (BDC) hingga mencapai volume maksimal dimana intake valve menutup.

Selama proses kompresi, katup masuk dan keluar tetap tertutup dan piston bergerak menuju titik mati atas (TDC), menekan isi chamber hingga mencapai volume minimum. Tidak seperti mesin pengapian percikan, di mana rasio kompresinya sekitar dari 11, dalam silinder mesin Diesel rasio ini harus lebih tinggi, kira-kira 18. Jalur yang lebih panjang ini memungkinkan tercapainya suhu yang lebih tinggi untuk menjamin penyalaan otomatis bahan bakar dalam proses selanjutnya, yaitu suhu udara pada akhir proses kompresi, harus lebih tinggi dari yang diberikan pada penyalaan sendiri bahan bakar agar dapat menyala saat masuk ke ruang kompresi. pembakaran.

Siklus diesel membutuhkan silinder yang lebih besar daripada mesin bensin atau gas keduanya biasa digunakan pada truk atau alat angkut besar maupun di agroindustri.

Proses selanjutnya adalah ekspansi atau power stroke, dan dimulai saat piston mencapai titik mati atas. Pada mesin pengapian percikan, pembakaran praktis terjadi seketika dan terjadi melalui pengapian bunga api yang dihasilkan oleh busi, yang menyebabkan pembakaran campuran udara dan bahan bakar. Dalam kasus mesin ECOM, prosesnya sedikit lebih lambat, dimulai saat piston berada di TDC dan injektor menyemprotkan bahan bakar ke dalam ruang. Saat minyak diesel atau gas bersentuhan dengan udara pada suhu tinggi, campuran ini menyala dan mendorong piston ke arah BDC memperluas gas pembakaran dan menyebabkan poros engkol mesin berputar. mesin.

Gambar menunjukkan silinder mesin pembakaran internal. Anda dapat melihat katup, dan piston.

Terakhir, katup buang terbuka sehingga piston naik dan memindahkan gas pembakaran dan siklus dimulai lagi.

Pada mesin diesel, busi tidak digunakan seperti pada mesin bensin, karena proses pembakarannya dihasilkan berkat kondisi tekanan dan suhu di ruang bakar pada saat penginjeksian bahan bakar.

Untuk menyederhanakan perhitungan dan analisis termodinamika di dalam silinder mesin pembakaran internal, beberapa asumsi dibuat, seperti pertimbangan udara standar dan prosesnya reversibel. Melalui premis-premis tersebut, siklus Otto dan Diesel dikembangkan, membentuk empat proses, seperti terlihat pada gambar berikut:

Empat proses mesin pembakaran internal empat langkah.

1-2: kompresi isentropik
2-3: Penambahan panas. Dalam siklus Otto, proses ini diasumsikan pada volume konstan (isochore) dan dalam siklus Diesel mendekati satu pada tekanan konstan (isobarik).
3-4: ekspansi isentropik
4-1: Penolakan Panas Volume Konstan (Isochoral)

Diagram di sebelah kiri menunjukkan proses yang terjadi pada mesin pengapian percikan. Dalam praktiknya, ini adalah proses terbuka yang membutuhkan asupan udara luar dan pembuangan gas buang ke lingkungan. Di sebelah kanan, penyederhanaan model ini diamati sebagai siklus tertutup yang dibentuk oleh dua proses isentropik dan dua isokor.

Dalam siklus Diesel, proses pemasukan dan pengeluaran digantikan oleh proses penambahan panas tekanan konstan dan penolakan panas volume konstan. Selanjutnya, proses kompresi dan ekspansi diasumsikan isentropik.

Mesin pembakaran internal empat langkah tidak hanya digunakan dalam industri transportasi. Mereka juga memiliki aplikasi tertentu di tingkat perumahan dan industri, misalnya untuk menerapkan kogenerasi, dan memperoleh listrik (atau energi mekanik), dan panas dari satu sumber utama, yang akan menjadi bahan bakar digunakan. Namun, untuk tujuan kogenerasi, siklus Otto dan turbin gas lebih umum.

Efisiensi mesin pembakaran internal empat langkah

Seperti semua siklus termodinamika, siklus gas menawarkan ukuran kinerjanya berdasarkan efisiensi termal (η_ter), yang menunjukkan hubungan antara kerja bersih wneto dibagi dengan qent input panas:

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

Di mana:
Apa_garam mewakili panas yang ditolak secara isokorik.

q_garam Ini ditentukan oleh perubahan energi dalam (u) antara keadaan di mana proses penolakan panas terjadi, yaitu keadaan 4 dan 1. Kuantitas ini diambil dari tabel uap, dan untuk menemukan nilainya, perlu diketahui dua informasi tentang keadaan, misalnya suhu dan tekanan. Selain itu, diperlukan penerapan persamaan keadaan (P.v = R.T), dan hubungan tekanan, volume, atau tekanan/volume relatif yang terjadi antara proses isentropik.

Pada siklus Otto proses penambahan kalor dilakukan pada volume konstan, sehingga kalor masukan q_{di dalam} ditentukan oleh perubahan energi dalam antara keadaan 2 dan 3, yaitu u₃ - atau₂:

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

Dalam kasus proses penambahan panas untuk siklus Diesel, ini diasumsikan pada tekanan konstan, dan panas masukan q_{di dalam}, dihitung dari perubahan entalpi (h) antara keadaan di mana proses ini berlangsung, yaitu antara keadaan 3 dan 2. Dengan pertimbangan ini, efisiensi siklus Diesel dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan:

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

Skema ini menunjukkan beberapa perbedaan antara siklus Otto dan siklus Diesel. Jika kedua mesin dapat beroperasi pada rasio kompresi (r) yang sama, siklus Otto akan lebih efisien, namun dalam praktiknya, mesin diesel memiliki rasio kompresi yang lebih tinggi.

Rasio kompresi (r) dan cutoff asupan (r_C)

Nilai tanpa dimensi ini adalah parameter dalam siklus gas, dan dinyatakan sebagai hubungan yang terjadi pada volume maksimum dan minimum silinder:

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

Baik dalam siklus Otto maupun Diesel, volume maksimum diperoleh dalam keadaan 1 atau 4. Volume minimum pada siklus Otto terjadi pada keadaan 2 dan 3, tetapi pada Diesel hanya terjadi pada keadaan 2.

Konstanta tak berdimensi dari panas spesifik "k" juga didefinisikan, dan mewakili hubungan yang diidentifikasi sehubungan dengan variabel panas spesifik pada tekanan konstan (C_P) dan panas spesifik pada volume konstan (C_ay):

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

Selain itu, dalam siklus Diesel, rasio cutoff atau penutupan intake digunakan, yaitu dihitung dengan membagi volume maksimum dengan volume minimum selama proses penambahan panas, yaitu mengatakan:

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

Efisiensi Mesin Pembakaran Dalam Menggunakan Asumsi Kalor Spesifik Konstan

Dalam siklus gas, kadang-kadang dapat diasumsikan bekerja di bawah asumsi panas spesifik yang tidak bervariasi dengan suhu, juga disebut udara dingin. standar, (namun dalam praktiknya jika ada variasi), dan berdasarkan pertimbangan ini, efisiensi termal setiap siklus ditentukan dengan yang berikut ini ekspresi:

Untuk siklus Otto

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

Diagram di sebelah kiri menunjukkan rentang karakteristik nilai rasio kompresi untuk mesin pengapian busi. Di sebelah kanan, variasi efisiensi siklus Otto diamati sebagai fungsi rasio kompresi (r), untuk nilai k yang berbeda.

Untuk siklus Diesel

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

Di mana_ay adalah panas spesifik udara pada volume konstan (C._ay = 0,718kJ/kg. K.), dan C._P panas spesifik pada tekanan konstan, yang untuk udara pada kondisi ambien adalah C_P = 1,005kJ/kg. K.

Diagram menunjukkan kisaran khas rasio kompresi (r) untuk mesin Diesel, serta variasi efisiensi termal siklus untuk berbagai nilai rasio pemotongan asupan (R_C).