מהו מחזור אוטו ומחזור דיזל, וכיצד הם מוגדרים?

שניהם מהווים את המודלים התיאורטיים המשמשים לתיאור מחזורי הגז התרמודינמיים שמתבצעים. מבוצע במנועי בעירה פנימית ארבע פעימות עם הצתות והצתה עצמית בהתאמה.

מחזור האוטו חייב את שמו לעובדה שהיה זה המהנדס הגרמני ניקולאוס אוטו שב-1876 פיתח את זה. מנוע ארבע פעימות ניצוץ, מבוסס על הדגם שהוצע בשנת 1862 על ידי Beau de רוצ'ס. מנוע זה מבצע ארבעה תהליכים תרמודינמיים בשני מחזורים מכניים. מצידו, מחזור הדיזל פותח בין 1890 ל-1897 על ידי רודולפט דיזל בגרמניה עבור חברת התחבורה MAN, עם כוונה לייצר מנועים עם ביצועים גבוהים יותר מאשר מנועי קיטור מדלקים אחרים שמציעים יותר יעילות. יצירה זו שוכללה מאז, ולדוגמא, בשנת 1927 השיקה חברת BOSH משאבה הזרקה לדיזל שעזרה להפחית את צריכת הדלק, שהיא חסכונית יותר מה בֶּנזִין.

התמונה מציגה סכימה עם האלמנטים המייצגים ביותר המתארים מחזור אוטו

מחזורי דיזל מתארים באופן תיאורטי את פעולתם של מנועי ECOM (מנועי הצתת דחיסה). התרשים מציג כמה תכונות של מחזור זה.

תהליכים תרמודינמיים של מנועי בעירה פנימית

מנועי הגומלין הכלליים, ארבע פעימות בפועל, מורכבים מארבעה תהליכים: יניקה, דחיסה, התרחבות ואגזוז.

גם במנועי הצתות וגם במנועי דיזל, במהלך תהליך היניקה, שסתום היניקה נפתח בצילינדר כדי לאפשר כניסת אוויר (במקרה של מנועי דיזל). מנועי דיזל) ואויר ודלק (במנועי הצתות), המתרחשים בלחץ אטמוספרי (בשביל זה נדרש לחץ בתוך הצילינדר נמוך יותר). כניסת נפח זה לצילינדר מזיזה את הבוכנה לכיוון המרכז המת התחתון (BDC) עד הגעה לנפח המרבי בו נסגר שסתום היניקה.

במהלך תהליך הדחיסה, שסתומי היניקה והפליטה נשארים סגורים והבוכנה זזה לכיוון נקודת המתה העליונה (TDC), דחיסה של תוכן החדר עד הגעה לנפח מִינִימוּם. בניגוד למנועי הצתה, שם יחס הדחיסה הוא סביב מ-11, בצילינדרים של מנועי דיזל נדרש יחס זה להיות גבוה יותר, בערך 18. נתיב ארוך יותר זה מאפשר להגיע לטמפרטורות גבוהות יותר כדי להבטיח הצתה עצמית של הדלק בתהליך הבא, כלומר, הטמפרטורה של הדלק אוויר בסוף תהליך הדחיסה, חייב להיות גבוה מזה שניתן בהצתה עצמית של הדלק כדי שיוכל להתלקח בכניסה לתא הדחיסה. שְׂרֵפָה.

מחזורי דיזל דורשים צילינדרים גדולים יותר מאשר מנועי בנזין או גז, אז שניהם נמצאים בשימוש נפוץ במשאיות או בכלי תחבורה גדולים כמו גם ב תעשיית חקלאות.

התהליך שאחריו הוא של התרחבות או מהלך כוח, והוא מתחיל כאשר הבוכנה מגיעה למרכז המת העליון. במנועי הצתה, הבעירה היא כמעט מיידית ומתרחשת דרך הצתה של ניצוץ שנוצר על ידי המצת, אשר גורם לבעירה של תערובת האוויר ו דלק. במקרה של מנועי ECOM, התהליך מעט איטי יותר, מתחיל כאשר הבוכנה נמצאת ב-TDC והמזרקים מרססים דלק לתוך החדר. כאשר סולר או שמן גז באים במגע עם אוויר בטמפרטורה גבוהה, תערובת זו מתלקחת ו מניע את הבוכנה לכיוון BDC מרחיב את גזי הבעירה וגורם לגל ארכובה של המנוע להסתובב. מנוע.

התמונה מציגה צילינדר של מנוע בעירה פנימית. אתה יכול לראות את השסתומים, ואת הבוכנה.

לבסוף, יש את הפתיחה של שסתום הפליטה כך שהבוכנה עולה ועקירה את גזי הבעירה והמחזור מתחיל מחדש.

במנועי דיזל, מצתים אינם משמשים כמו במנועי בנזין, שכן תהליך הבעירה הוא מיוצר הודות לתנאי הלחץ והטמפרטורה בתא הבעירה ברגע ההזרקה דלק.

על מנת לפשט את החישובים והניתוח התרמודינמי בתוך הצילינדרים של המנועים של בעירה פנימית, מניחים כמה הנחות, כגון שיקולי אוויר סטנדרטיים וכי התהליכים הם הָפִיך. באמצעות הנחות אלו, מפתחים את מחזורי האוטו ודיזל, ליצירת ארבעת התהליכים, כפי שמוצג בתמונה הבאה:

ארבעת התהליכים של מנועי בעירה פנימית ארבע פעימות.

1-2: דחיסה איזנטרופית
2-3: הוספת חום. במחזורי אוטו, תהליך זה מוערך בנפח קבוע (איזושור) ובמחזורי דיזל הוא מתקרב לאחד בלחץ קבוע (איזוברי).
3-4: התפשטות איזנטרופית
4-1: דחיית חום קבועה בנפח (איזושורלי)

התרשים משמאל מציג את התהליכים המתרחשים במנועי הצתות. בפועל, מדובר בתהליך פתוח המצריך הכנסת אוויר חיצוני והוצאת גזי פליטה לסביבה. בצד ימין, הפשטות של מודל זה נצפה כמחזור סגור שנוצר על ידי שני תהליכים איזנטרופיים ושני איזוכורים.

במחזור הדיזל, תהליכי היניקה והפליטה מוחלפים באלה של הוספת חום בלחץ קבוע ודחייה חום בנפח קבוע. יתר על כן, ההנחה היא שתהליכי הדחיסה וההתרחבות הם איזנטרופיים.

מנועי בעירה פנימית ארבע פעימות אינם משמשים רק בתעשיית התחבורה. יש להם גם יישומים מסוימים ברמת מגורים ותעשייתית, למשל, ליישם קוגנרציה, ו להשיג חשמל (או אנרגיה מכנית), וחום ממקור ראשוני יחיד, שיהיה הדלק בשימוש. עם זאת, למטרות קוגנרציה, מחזורי אוטו וטורבינות גז נפוצים יותר.

יעילות של מנועי בעירה פנימית ארבע פעימות

כמו כל המחזורים התרמודינמיים, מחזורי הגז מציעים מדד לביצועים שלהם בהתבסס על יעילות תרמית (η_ter), המציגים את הקשר בין העבודה נטו Wneto חלקי כמות קלט החום:

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

איפה:
מה_מלח מייצג את החום הנדחה בצורה איזוכורית.

ה-q_מלח הוא נקבע על ידי השינוי באנרגיה הפנימית (u) בין המצבים שבהם מתרחש תהליך דחיית החום, כלומר, מצבים 4 ו-1. הכמויות הללו נלקחות מטבלאות הקיטור, ועל מנת לאתר את הערכים יש צורך לדעת שני פיסות מידע על המצב, למשל, הטמפרטורה והלחץ. בנוסף, נדרש ליישם את משוואת המצב (P.v = R.T), ואת הקשר של לחצים, נפחים או לחצים/נפחים יחסיים המתרחשים בין תהליכים איזנטרופיים.

במחזורי אוטו, תהליך הוספת החום מתבצע בנפח קבוע, ולכן חום הקלט q_ב נקבע על ידי השינוי באנרגיה הפנימית בין מצבים 2 ו-3, כלומר u₃ - או₂:

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

במקרה של תהליך הוספת החום עבור מחזורי דיזל, ההנחה היא שזה בלחץ קבוע, וחום הקלט q_ב, מחושב משינוי האנטלפיה (h) בין המצבים שבהם מתרחש תהליך זה, כלומר בין מצבים 3 ל-2. עם שיקולים אלה, ניתן לקבוע את היעילות של מחזור דיזל באמצעות הביטוי:

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

סכימה זו מציגה כמה הבדלים בין מחזור אוטו למחזור דיזל. אם שני המנועים יכלו לפעול באותו יחס דחיסה (r), מחזורי אוטו יהיו יעילים יותר, אולם בפועל, למנועי דיזל יש יחסי דחיסה גבוהים יותר.

יחס הדחיסה (r) וחיתוך היניקה (r_ג)

ערך חסר מימד זה הוא פרמטר במחזורי גז, והוא מבוטא כקישור המתרחש על פני הנפח המרבי והמינימלי של הגליל:

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

גם במחזור אוטו וגם בדיזל, הנפח המרבי מתקבל במצבים 1 או 4. הנפח המינימלי במחזור אוטו מתרחש במצבים 2 ו-3, אך בדיזל הוא מתרחש רק במצב 2.

הקבוע חסר הממדים של חום ספציפי "k" מוגדר גם הוא, ומייצג את הקשר המזוהה ביחס למשתנים של חום ספציפי בלחץ קבוע (C_ע) וחום סגולי בנפח קבוע (C_v):

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

בנוסף, במחזורי דיזל משתמשים ביחס הניתוק או סגירת היניקה, כלומר מחושב על ידי חלוקת הנפח המקסימלי בנפח המינימלי בתהליך הוספת החום, כלומר אמר:

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

יעילות של מנועי בעירה פנימית תוך שימוש בהנחות חום ספציפיות קבועות

במחזור גז, לפעמים ניתן להניח שהוא פועל תחת הנחות של חום ספציפי שאינם משתנים עם הטמפרטורה, הנקרא גם אוויר קר. תקן, (עם זאת, בפועל אם יש וריאציה), ותחת שיקול זה, היעילות התרמית של כל מחזור נקבעת לפי ההוראות הבאות ביטויים:

למחזור אוטו

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

התרשים משמאל מציג את טווח הערכים האופייני ליחס הדחיסה עבור מנועי הצתה. בצד ימין, השינוי ביעילות של מחזור אוטו נצפית כפונקציה של יחס הדחיסה (r), עבור ערכים שונים של k.

עבור מחזור דיזל

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

איפה_v הוא החום הסגולי של האוויר בנפח קבוע (ג._v = 0.718kJ/kg. ק.), ו-C._ע החום הסגולי בלחץ קבוע, אשר עבור אוויר בתנאי סביבה הוא C_ע = 1.005 קילו-ג'יי/ק"ג. ק.

התרשים מציג את הטווח הטיפוסי של יחס הדחיסה (r) עבור מנועי דיזל, כמו גם את וריאציה של היעילות התרמית של המחזור עבור ערכים שונים של יחסי חתך בצריכה (ר_ג).