オットーサイクルとディーゼルサイクルとは何ですか? また、それらはどのように定義されていますか?

どちらも、実行されるガスの熱力学的サイクルを記述するために使用される理論モデルを構成します。 火花点火および自己点火を備えた 4 ストローク内燃機関で実施 それぞれ。

オットー サイクルの名前は、1876 年にこれを開発したのがドイツのエンジニア ニコラウス オットーであったという事実に由来しています。 Beau de によって 1862 年に提案されたモデルに基づく火花点火 4 ストローク エンジン ロチャス。 このエンジンは、2 つの機械的サイクルで 4 つの熱力学的プロセスを実行します。 ディーゼル サイクルは、1890 年から 1897 年にかけてドイツのルドルフト ディーゼル社が運送会社 MAN のために開発したもので、 蒸気エンジンよりも高性能なエンジンを、より高い性能を発揮する他の燃料から製造する意向 効率。 それ以来、この作品は洗練されてきました。たとえば、1927 年に BOSH 社はポンプを発売しました。 燃料消費量の削減に貢献したディーゼル用インジェクション。 ガソリン。

この画像は、オットーサイクルを説明する最も代表的な要素を含むスキームを示しています

ディーゼル サイクルは、理論的には ECOM エンジン (圧縮着火エンジン) の動作を表します。 この図は、このサイクルのいくつかの特徴を示しています。

内燃機関の熱力学的プロセス

一般的な 4 ストローク レシプロ エンジンは、実際には、吸気、圧縮、膨張、排気の 4 つのプロセスで構成されています。

火花点火エンジンとディーゼル エンジンの両方で、吸気プロセス中にシリンダー内の吸気バルブが開き、空気が入ることができます (ディーゼル エンジンの場合)。 ディーゼル エンジン) および大気圧で発生する空気と燃料 (火花点火エンジン) (このためには、シリンダー内の圧力が必要です) 低い）。 このボリュームがシリンダーに入ると、吸気バルブが閉じる最大ボリュームに達するまで、ピストンが下死点 (BDC) に向かって移動します。

圧縮プロセス中、吸気バルブと排気バルブは閉じたままになり、ピストンが動きます 上死点 (TDC) に向かって、容積に達するまでチャンバーの内容物を圧縮します。 最小。 圧縮比が前後する火花点火エンジンとは異なり、 11 よりも、ディーゼル エンジンのシリンダーでは、この比率を高くする必要があります。 18. この長い経路により、次のプロセスで燃料の自己着火を保証するために、より高い温度に達することができます。 圧縮プロセスの最後の空気は、圧縮チャンバーに入ったときに燃料が発火できるように、燃料の自己着火で与えられた値よりも高くなければなりません。 燃焼。

ディーゼル サイクルは、ガソリンまたはガス エンジンよりも大きなシリンダーを必要とするため、 両方とも、トラックや大型輸送手段で一般的に使用されています。 農産業。

次のプロセスは膨張またはパワーストロークのプロセスであり、ピストンが上死点に達したときに始まります。 火花点火エンジンでは、燃焼は実質的に瞬間的であり、 スパークプラグによって生成された火花の点火。空気と混合物の燃焼を引き起こします。 燃料。 ECOM エンジンの場合、プロセスはわずかに遅く、ピストンが TDC にあり、インジェクターが燃料をチャンバーに噴射するときに始まります。 軽油や軽油が高温の空気と接触すると、この混合気が着火し、 ピストンを下死点に向かって駆動し、燃焼ガスを膨張させ、エンジンのクランクシャフトを回転させます。 エンジン。

画像は内燃機関のシリンダーを示しています。 バルブとピストンが見えます。

最後に、排気バルブが開き、ピストンが上昇して燃焼ガスが排出され、サイクルが再び開始されます。

ディーゼル エンジンでは、ガソリン エンジンのようにスパーク プラグは使用されません。 噴射の瞬間の燃焼室内の圧力と温度条件のおかげで生成されます 燃料。

エンジンのシリンダー内の計算と熱力学的解析を簡素化するために、 内部燃焼、標準的な空気の考慮事項など、いくつかの仮定が行われ、プロセスが 可逆。 これらの前提を通じて、次の図に示すように、オットーとディーゼルのサイクルが開発され、4 つのプロセスが形成されます。

4ストローク内燃機関の4つのプロセス。

1-2: 等エントロピー圧縮
2-3: 熱を加えます。 オットー サイクルでは、このプロセスは一定の体積 (等積) であると想定され、ディーゼル サイクルでは、一定の圧力 (等圧) でプロセスに近づきます。
3-4: 等エントロピー展開
4-1: 一定体積の熱除去 (Isochoral)

左の図は、火花点火エンジンで行われるプロセスを示しています。 実際には、外気の取り込みと排気ガスの環境への排出を必要とするオープンプロセスです。 右側では、このモデルの単純化は、2 つの等エントロピー過程と 2 つの等積線によって形成される閉サイクルとして観察されます。

ディーゼル サイクルでは、吸気と排気のプロセスが、一定圧力の熱付加と一定体積の熱除去のプロセスに置き換えられます。 さらに、圧縮および膨張プロセスは等エントロピーであると仮定されます。

4ストローク内燃エンジンは、輸送業界だけで使用されているわけではありません。 また、コジェネレーションの適用など、住宅および産業レベルでの特定の用途もあります。 電気 (または機械エネルギー) を取得し、燃料となる単一の主要なソースから熱を取得します。 使用済み。 ただし、コジェネレーションの目的では、オットー サイクルとガス タービンがより一般的です。

4ストローク内燃機関の効率

すべての熱力学的サイクルと同様に、ガス サイクルは、熱効率 (η_テル)、熱入力 qent で割ったネット ワーク wneto の関係を示します。

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

どこ：
何_塩 等積法で拒絶される熱を表します。

q_塩 これは、熱除去プロセスが発生する状態、つまり状態 4 と 1 の間の内部エネルギー (u) の変化によって決まります。 これらの量は蒸気テーブルから取得されます。値を特定するには、状態に関する 2 つの情報 (温度と圧力など) を知る必要があります。 さらに、状態方程式 (P.v = R.T)、および等エントロピー プロセス間で発生する圧力、体積、または圧力/相対体積の関係を適用する必要があります。

オットー サイクルでは、熱の追加プロセスは一定の体積で実行されるため、入力熱 q_の 状態 2 と 3 の間の内部エネルギーの変化、つまり u₃ - また₂:

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

ディーゼル サイクルの熱付加プロセスの場合、これは一定の圧力であると仮定され、入力熱 q_の、このプロセスが行われる状態の間、つまり状態 3 と 2 の間のエンタルピー変化 (h) から計算されます。 これらの考慮事項により、ディーゼル サイクルの効率は次の式を使用して決定できます。

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

この図は、オットー サイクルとディーゼル サイクルの違いを示しています。 両方のエンジンが同じ圧縮比 (r) で動作できる場合、オットー サイクルの方が効率的ですが、実際には、ディーゼル エンジンの方が圧縮比が高くなります。

圧縮比（r）と吸気カットオフ（r_c)

この無次元値はガス サイクルのパラメーターであり、シリンダーの最大および最小ボリュームで発生するリンクとして表されます。

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

Otto サイクルと Diesel サイクルの両方で、最大音量は状態 1 または 4 で得られます。 オットー サイクルの最小ボリュームは状態 2 と 3 で発生しますが、ディーゼルでは状態 2 でのみ発生します。

比熱の無次元定数 "k" も定義され、一定圧力 (C_p) と一定体積での比熱 (C_v):

\(k = \frac{{{C_​​p}}}{{{C_​​v}}}\)

さらに、ディーゼルサイクルでは、カットオフ比または吸気閉鎖が使用されます。 熱付加プロセス中の最大体積を最小体積で割ることによって計算されます。つまり、 言う：

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

一定の比熱仮定を使用した内燃機関の効率

ガス サイクルでは、温度によって変化しない比熱 (冷気とも呼ばれます) の仮定の下で動作すると想定される場合があります。 （ただし、実際にはバラツキがある場合）、これを考慮して、各サイクルの熱効率は次のように決定されます。 式:

オットーサイクルの場合

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

左の図は、火花点火エンジンの圧縮比の値の特性範囲を示しています。 右側では、オットー サイクルの効率の変化が、さまざまな k 値に対する圧縮比 (r) の関数として観察されます。

ディーゼルサイクル用

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

どこ_v 一定体積の空気の比熱 (C._v = 0.718kJ/kg。 K.)、および C._p 周囲条件での空気の場合、一定圧力での比熱は C_p = 1.005kJ/kg。 K.

この図は、ディーゼル エンジンの一般的な圧縮比 (r) の範囲と、 吸気カット率の異なる値に対するサイクルの熱効率の変化 (r_c).