Kas yra Otto ciklas ir dyzelino ciklas ir kaip jie apibrėžiami?

Abu modeliai yra teoriniai modeliai, naudojami apibūdinti atliekamiems dujų termodinaminiams ciklams. atliekami keturtakčiuose vidaus degimo varikliuose su kibirkštiniu ir savaiminiu uždegimu atitinkamai.

Otto ciklas gavo savo pavadinimą dėl to, kad būtent vokiečių inžinierius Nikolaus Otto 1876 m. kibirkštinio uždegimo keturtaktis variklis pagal modelį, kurį 1862 m. pasiūlė Beau de Rochas. Šis variklis vykdo keturis termodinaminius procesus dviem mechaniniais ciklais. Savo ruožtu, dyzelino ciklą 1890–1897 m. sukūrė Rudolft Diesel Vokietijoje transporto bendrovei MAN. ketinama gaminti variklius, kurių našumas didesnis nei garo variklius iš kitų degalų, kurių našumas yra didesnis efektyvumo. Nuo tada šis kūrinys buvo tobulinamas ir, pavyzdžiui, 1927 m. BOSH kompanija pristatė siurblį. įpurškimas dyzelinui, kuris padėjo sumažinti degalų sąnaudas, o tai yra ekonomiškiau nei benzino.

Paveikslėlyje parodyta schema su reprezentatyviausiais elementais, apibūdinančiais Otto ciklą

Dyzelino ciklai teoriškai apibūdina ECOM variklių (kompresinio uždegimo variklių) darbą. Diagramoje parodytos kai kurios šio ciklo ypatybės.

Vidaus degimo variklių termodinaminiai procesai

Bendrieji keturtakčiai stūmokliniai varikliai praktiškai susideda iš keturių procesų: įsiurbimo, suspaudimo, išsiplėtimo ir išmetimo.

Tiek kibirkštinio uždegimo varikliuose, tiek dyzeliniuose varikliuose įsiurbimo proceso metu cilindre atsidaro įsiurbimo vožtuvas, kad galėtų patekti oras (dyzelinių variklių atveju). Dyzeliniai varikliai) ir oras bei degalai (kibirkštinio uždegimo varikliuose), kurie susidaro esant atmosferos slėgiui (tam reikalingas slėgis cilindro viduje žemesnė). Šio tūrio patekimas į cilindrą judina stūmoklį link apatinio negyvojo taško (BDC), kol pasiekiamas didžiausias tūris, kai užsidaro įsiurbimo vožtuvas.

Suspaudimo proceso metu įsiurbimo ir išmetimo vožtuvai lieka uždaryti, o stūmoklis juda link viršutinio negyvojo taško (TDC), suspaudžiant kameros turinį, kol pasieks tūrį minimumas. Skirtingai nuo kibirkštinio uždegimo variklių, kur suspaudimo laipsnis yra maždaug nei 11, dyzelinių variklių cilindruose šis santykis turi būti didesnis, apytiksliai 18. Šis ilgesnis kelias leidžia pasiekti aukštesnę temperatūrą, kad būtų garantuotas savaiminis kuro užsidegimas kitame procese, ty degalų temperatūra. oras, pasibaigus suspaudimo procesui, turi būti didesnis nei nurodytas kuro savaiminio užsidegimo metu, kad patekęs į suspaudimo kamerą galėtų užsidegti. degimo.

Dyzeliniams ciklams reikia didesnių cilindrų nei benzininiams ar dujiniams varikliams, taigi abu dažniausiai naudojami sunkvežimiuose ar didelėse transporto priemonėse, taip pat žemės ūkio pramonė.

Toliau vyksta plėtimosi arba galios eigos procesas, kuris prasideda, kai stūmoklis pasiekia viršutinį negyvąjį tašką. Kibirkštinio uždegimo varikliuose degimas vyksta praktiškai akimirksniu ir vyksta per uždegimo žvakės sukeltos kibirkšties užsidegimas, dėl kurio užsidega oro ir kuro. ECOM variklių atveju procesas yra šiek tiek lėtesnis, prasideda, kai stūmoklis yra TDC ir purkštukai purškia kurą į kamerą. Dyzelinui ar gazoliui esant aukštai temperatūrai susilietus su oru, šis mišinys užsidega ir varo stūmoklį link BDC, išplėsdamas degimo dujas ir sukeldamas variklio alkūninio veleno sukimąsi. variklis.

Nuotraukoje pavaizduotas vidaus degimo variklio cilindras. Galite pamatyti vožtuvus ir stūmoklį.

Galiausiai atidaromas išmetimo vožtuvas, kad stūmoklis pakiltų ir išstumtų degimo dujas, o ciklas prasidėtų iš naujo.

Dyzeliniuose varikliuose uždegimo žvakės nenaudojamos kaip benzininiuose varikliuose, nes degimo procesas yra susidaro dėl slėgio ir temperatūros sąlygų degimo kameroje įpurškimo momentu kuro.

Siekiant supaprastinti skaičiavimus ir termodinaminę analizę variklių cilindrų viduje vidaus degimo, daromos tam tikros prielaidos, pvz., standartinės oro sąlygos ir kad procesai yra grįžtamasis. Šiose patalpose sukuriami Otto ir Diesel ciklai, kad sudarytų keturis procesus, kaip parodyta toliau pateiktame paveikslėlyje:

Keturi keturių taktų vidaus degimo variklių procesai.

1-2: izentropinis suspaudimas
2-3: Šilumos pridėjimas. Otto cikluose šis procesas laikomas pastoviu tūriu (izochoras), o dyzelino cikluose jis artėja prie vieno esant pastoviam slėgiui (izobarinis).
3-4: izentropinė plėtra
4-1: pastovaus tūrio šilumos atmetimas (izochorinis)

Diagrama kairėje rodo procesus, vykstančius kibirkštinio uždegimo varikliuose. Praktiškai tai yra atviras procesas, kuriam reikalingas lauko oro įsiurbimas ir išmetamųjų dujų pašalinimas į aplinką. Dešinėje šio modelio supaprastinimas stebimas kaip uždaras ciklas, sudarytas iš dviejų izentropinių procesų ir dviejų izochorų.

Dyzelino cikle įsiurbimo ir išmetimo procesai pakeičiami nuolatinio slėgio šilumos pridėjimo ir pastovaus tūrio šilumos atmetimo procesais. Be to, manoma, kad suspaudimo ir išsiplėtimo procesai yra izentropiniai.

Keturtakčiai vidaus degimo varikliai naudojami ne tik transporto pramonėje. Jie taip pat turi tam tikrų pritaikymų gyvenamajame ir pramoniniame lygmenyje, pavyzdžiui, taikyti termofikaciją ir gauti elektros (arba mechaninės energijos) ir šilumos iš vieno pirminio šaltinio, kuris būtų kuras naudojamas. Tačiau kogeneracijos tikslais dažniau naudojami Otto ciklai ir dujų turbinos.

Keturių taktų vidaus degimo variklių efektyvumas

Kaip ir visi termodinaminiai ciklai, dujų ciklai siūlo savo efektyvumo matą, pagrįstą šiluminiu efektyvumu (η_ter).

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

Kur:
ką_druskos reiškia izochoriniu būdu atmestamą šilumą.

q_druskos Jį lemia vidinės energijos (u) pokytis tarp būsenų, kuriose vyksta šilumos atmetimo procesas, tai yra, būsenų 4 ir 1. Šie dydžiai paimti iš garų lentelių, o norint rasti reikšmes, reikia žinoti dvi informacijos apie būseną dalis, pavyzdžiui, temperatūrą ir slėgį. Be to, reikia taikyti būsenos lygtį (P.v = R.T) ir slėgių, tūrių arba slėgių ir santykinių tūrių santykį tarp izentropinių procesų.

Otto cikluose šilumos pridėjimo procesas vykdomas esant pastoviam tūriui, todėl įvesties šiluma q_in yra nulemtas vidinės energijos pokyčio tarp 2 ir 3 būsenų, tai yra u₃ - arba₂:

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

Dyzelino ciklų šilumos pridėjimo proceso atveju laikoma, kad slėgis yra pastovus, o įvesties šiluma q_in, apskaičiuojamas pagal entalpijos pokytį (h) tarp būsenų, kuriose vyksta šis procesas, tai yra tarp 3 ir 2 būsenų. Atsižvelgiant į šias aplinkybes, dyzelino ciklo efektyvumą galima nustatyti naudojant išraišką:

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

Ši schema rodo kai kuriuos Otto ciklo ir dyzelino ciklo skirtumus. Jei abu varikliai galėtų veikti tuo pačiu suspaudimo laipsniu (r), Otto ciklai būtų efektyvesni, tačiau praktiškai dyzeliniai varikliai turi didesnį suspaudimo laipsnį.

Suspaudimo laipsnis (r) ir įsiurbimo riba (r_c)

Ši bedimensinė vertė yra dujų ciklų parametras ir išreiškiamas kaip jungtis, kuri atsiranda per didžiausią ir mažiausią baliono tūrį:

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

Tiek Otto, tiek dyzelino cikluose didžiausias tūris gaunamas 1 arba 4 būsenose. Minimalus tūris Otto cikle būna 2 ir 3 būsenose, o dyzeliniame – tik 2 būsenoje.

Taip pat apibrėžiama savitosios šilumos konstanta „k“ be matmenų ir parodo ryšį, nustatytą atsižvelgiant į specifinės šilumos kintamuosius esant pastoviam slėgiui (C_p) ir savitoji šiluma esant pastoviam tūriui (C_v):

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

Be to, dyzeliniuose cikluose naudojamas ribinis santykis arba įleidimo angos uždarymas, kuris yra apskaičiuojamas didžiausią tūrį padalijus iš mažiausio tūrio šilumos pridėjimo proceso metu, t sakyk:

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

Vidaus degimo variklių efektyvumas naudojant pastovios specifinės šilumos prielaidas

Dujų cikle kartais galima daryti prielaidą, kad tam tikros šilumos, kurios nesikeičia priklausomai nuo temperatūros, prielaidos, dar vadinamos šaltu oru. standartą (tačiau praktikoje, jei yra svyravimų), ir atsižvelgiant į tai, kiekvieno ciklo šiluminis naudingumo koeficientas nustatomas taip: posakiai:

Otto ciklui

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

Diagrama kairėje rodo būdingą kibirkštinio uždegimo variklių suspaudimo laipsnio verčių diapazoną. Dešinėje Otto ciklo efektyvumo pokytis stebimas kaip suspaudimo laipsnio (r) funkcija skirtingoms k vertėms.

Dyzelino ciklui

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

Kur_v yra savitoji oro šiluma esant pastoviam tūriui (C._v = 0,718kJ/kg. K.), ir C._p savitoji šiluma esant pastoviam slėgiui, kuri orui esant aplinkos sąlygoms yra C_p = 1,005 kJ/kg. K.

Diagramoje parodytas tipiškas suspaudimo laipsnio (r) diapazonas dyzeliniams varikliams, taip pat ciklo šiluminio efektyvumo kitimas esant skirtingoms įleidimo sumažinimo koeficientų reikšmėms (r_c).