Cos'è il ciclo Otto e il ciclo Diesel e come sono definiti?

Entrambi costituiscono i modelli teorici che vengono utilizzati per descrivere i cicli termodinamici dei gas che vengono eseguiti. effettuata nei motori a combustione interna a quattro tempi con accensione a scintilla e autoaccensione rispettivamente.

Il ciclo Otto deve il suo nome al fatto che fu l'ingegnere tedesco Nikolaus Otto che nel 1876 sviluppò questo motore a quattro tempi ad accensione comandata, basato sul modello proposto nel 1862 da Beau de Rochas. Questo motore esegue quattro processi termodinamici in due cicli meccanici. Da parte sua, il ciclo Diesel è stato sviluppato tra il 1890 e il 1897 da Rudolft Diesel in Germania per la società di trasporti MAN, con il intenzione di produrre motori con prestazioni superiori rispetto ai motori a vapore con altri combustibili che offrono prestazioni superiori efficienze. Da allora questa creazione è stata perfezionata e, ad esempio, nel 1927 l'azienda BOSH ha lanciato una pompa iniezione per Diesel che ha contribuito a ridurre il consumo di carburante, che è più economico rispetto al benzina.

L'immagine mostra uno schema con gli elementi più rappresentativi che descrivono un ciclo di Otto

I cicli diesel descrivono teoricamente il funzionamento dei motori ECOM (motori ad accensione spontanea). Il diagramma mostra alcune caratteristiche di questo ciclo.

Processi termodinamici dei motori a combustione interna

I motori alternativi generali, a quattro tempi in pratica, sono costituiti da quattro processi: aspirazione, compressione, espansione e scarico.

Sia nei motori ad accensione comandata che nei motori Diesel, durante il processo di aspirazione, la valvola di aspirazione si apre nel cilindro per consentire l'ingresso dell'aria (nel caso dei motori diesel). motori diesel) e aria e carburante (nei motori ad accensione comandata), che avviene a pressione atmosferica (per questo è necessaria una pressione all'interno del cilindro inferiore). L'ingresso di questo volume nel cilindro sposta il pistone verso il punto morto inferiore (PMS) fino a raggiungere il volume massimo dove si chiude la valvola di aspirazione.

Durante il processo di compressione, le valvole di aspirazione e scarico rimangono chiuse e il pistone si muove verso il punto morto superiore (PMS), comprimendo il contenuto della camera fino a raggiungere il volume minimo. A differenza dei motori ad accensione comandata, dove il rapporto di compressione è intorno di 11, nei cilindri dei motori Diesel questo rapporto deve essere più alto, approssimativamente 18. Questo percorso più lungo consente di raggiungere temperature più elevate per garantire l'autoaccensione del combustibile nel processo successivo, ovvero la temperatura del l'aria alla fine del processo di compressione, deve essere superiore a quella data nell'autoaccensione del carburante in modo che possa accendersi quando entra nella camera di compressione. combustione.

I cicli diesel richiedono cilindri più grandi rispetto ai motori a benzina o a gas, quindi entrambi sono comunemente usati nei camion o nei grandi mezzi di trasporto così come nei agroindustria.

Il processo che segue è quello dell'espansione o colpo di forza, ed inizia quando il pistone raggiunge il punto morto superiore. Nei motori ad accensione comandata la combustione è praticamente istantanea e avviene tramite il accensione di una scintilla generata dalla candela, che provoca la combustione della miscela di aria e carburante. Nel caso dei motori ECOM, il processo è leggermente più lento, inizia quando il pistone è al PMS e gli iniettori spruzzano carburante nella camera. Quando il diesel o il gasolio vengono a contatto con l'aria ad alta temperatura, questa miscela si accende e spinge il pistone verso il PMI espandendo i gas di combustione e facendo ruotare l'albero motore del motore. motore.

L'immagine mostra un cilindro di un motore a combustione interna. Puoi vedere le valvole e il pistone.

Infine si ha l'apertura della valvola di scarico in modo che il pistone si alzi spostando i gas di combustione e il ciclo ricominci.

Nei motori Diesel, le candele non vengono utilizzate come nei motori a benzina, poiché lo è il processo di combustione prodotto grazie alle condizioni di pressione e temperatura nella camera di combustione al momento dell'iniezione del carburante.

Per semplificare i calcoli e l'analisi termodinamica all'interno dei cilindri dei motori di combustione interna, vengono fatte alcune ipotesi, come considerazioni sull'aria standard e che i processi lo sono reversibile. Attraverso queste premesse si sviluppano i cicli Otto e Diesel, per formare i quattro processi, come mostrato nell'immagine seguente:

I quattro processi dei motori a combustione interna a quattro tempi.

1-2: compressione isoentropica
2-3: Aggiunta di calore. Nei cicli Otto, questo processo è assunto a volume costante (isocore) e nei cicli Diesel si avvicina a uno a pressione costante (isobarico).
3-4: espansione isoentropica
4-1: Reiezione del calore a volume costante (isocorale)

Il diagramma a sinistra mostra i processi che avvengono nei motori ad accensione comandata. In pratica si tratta di un processo aperto che prevede l'immissione di aria esterna e l'espulsione dei gas di scarico nell'ambiente. A destra, si osserva la semplificazione di questo modello come un ciclo chiuso formato da due processi isentropici e due isocore.

Nel ciclo Diesel, i processi di aspirazione e scarico sono sostituiti da quelli di aggiunta di calore a pressione costante e di espulsione di calore a volume costante. Inoltre, si assume che i processi di compressione ed espansione siano isentropici.

I motori a combustione interna a quattro tempi non sono utilizzati solo nel settore dei trasporti. Hanno anche alcune applicazioni a livello residenziale e industriale, ad esempio per applicare la cogenerazione e ottenere elettricità (o energia meccanica) e calore da un'unica fonte primaria, che sarebbe il combustibile usato. Tuttavia, per scopi di cogenerazione, i cicli Otto e le turbine a gas sono più comuni.

Rendimento dei motori a combustione interna a quattro tempi

Come tutti i cicli termodinamici, i cicli a gas offrono una misura delle loro prestazioni basata sul rendimento termico (η_ter), che mostrano il rapporto tra il lavoro netto wneto diviso per l'apporto termico qent:

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

Dove:
Che cosa_sale rappresenta il calore respinto in maniera isocora.

il q_sale È determinato dalla variazione di energia interna (u) tra gli stati in cui si verifica il processo di rigetto del calore, ovvero gli stati 4 e 1. Queste grandezze sono ricavate dalle tabelle del vapore e per individuare i valori è necessario conoscere due informazioni sullo stato, ad esempio la temperatura e la pressione. Inoltre, è necessario applicare l'equazione di stato (P.v = R.T) e la relazione di pressioni, volumi o pressioni/volumi relativi che si verifica tra i processi isentropici.

Nei cicli Otto, il processo di addizione di calore avviene a volume costante, quindi il calore immesso q_In è determinato dalla variazione di energia interna tra gli stati 2 e 3, cioè u₃ - O₂:

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

Nel caso del processo di addizione di calore per i cicli Diesel, si assume che questo sia a pressione costante e il calore immesso q_In, è calcolato dalla variazione di entalpia (h) tra gli stati in cui avviene questo processo, cioè tra gli stati 3 e 2. Con queste considerazioni, l'efficienza di un ciclo Diesel può essere determinata utilizzando l'espressione:

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

Questo schema mostra alcune differenze tra il ciclo Otto e il ciclo Diesel. Se entrambi i motori potessero funzionare con lo stesso rapporto di compressione (r), i cicli Otto sarebbero più efficienti, tuttavia in pratica i motori Diesel hanno rapporti di compressione più elevati.

Il rapporto di compressione (r) e il taglio di aspirazione (r_C)

Questo valore adimensionale è un parametro nei cicli del gas, ed è espresso come il legame che si verifica sui volumi massimo e minimo del cilindro:

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

In entrambi i cicli Otto e Diesel, il volume massimo si ottiene negli stati 1 o 4. Il volume minimo nel ciclo Otto si verifica negli stati 2 e 3, ma in Diesel si verifica solo nello stato 2.

Viene anche definita la costante adimensionale dei calori specifici "k", che rappresenta la relazione individuata rispetto alle variabili di calore specifico a pressione costante (C_P) e calore specifico a volume costante (C_v):

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

Inoltre, nei cicli Diesel viene utilizzato il rapporto di interruzione o chiusura dell'aspirazione, che è calcolato dividendo il volume massimo per il volume minimo durante il processo di aggiunta di calore, cioè Dire:

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

Efficienza dei motori a combustione interna utilizzando ipotesi di calore specifico costante

In un ciclo del gas, a volte si può presumere che funzioni sotto ipotesi di calori specifici che non variano con la temperatura, chiamata anche aria fredda. standard, (tuttavia in pratica se c'è variazione), e in base a questa considerazione, l'efficienza termica di ciascun ciclo è determinata con la seguente espressioni:

Per il ciclo di Otto

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

Il diagramma a sinistra mostra l'intervallo di valori caratteristico per il rapporto di compressione per i motori ad accensione comandata. A destra si osserva la variazione dell'efficienza di un ciclo Otto in funzione del rapporto di compressione (r), per diversi valori di k.

Per il ciclo Diesel

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

Dove_v è il calore specifico dell'aria a volume costante (C._v = 0,718kJ/kg. K.), e C._P il calore specifico a pressione costante, che per l'aria a condizioni ambiente è C_P = 1.005kJ/kg. K.

Il diagramma mostra l'intervallo tipico del rapporto di compressione (r) per i motori Diesel, nonché il variazione del rendimento termico del ciclo per diversi valori di rapporti taglio aspirazione (R_C).