Wat is de Otto-cyclus en de Diesel-cyclus en hoe worden ze gedefinieerd?

Evelyn Maitee Marin
Industrieel Ingenieur, MSc in Natuurkunde, en EdD

Beide vormen de theoretische modellen die worden gebruikt om de gasthermodynamische cycli te beschrijven die worden uitgevoerd. uitgevoerd in viertakt verbrandingsmotoren met vonkontsteking en zelfontbranding respectievelijk.

De Otto-cyclus dankt zijn naam aan het feit dat het de Duitse ingenieur Nikolaus Otto was die in 1876 deze ontwikkelde viertaktmotor met vonkontsteking, gebaseerd op het in 1862 door Beau de voorgesteld model Roches. Deze motor voert vier thermodynamische processen uit in twee mechanische cycli. De dieselcyclus van zijn kant werd tussen 1890 en 1897 ontwikkeld door Rudolft Diesel in Duitsland voor het transportbedrijf MAN, met de bedoeling om motoren te vervaardigen met hogere prestaties dan stoommachines uit andere brandstoffen die hogere bieden efficiënties. Deze creatie is sindsdien verfijnd en in 1927 lanceerde het bedrijf BOSH bijvoorbeeld een pomp injectie voor diesel die hielp om het brandstofverbruik te verminderen, wat zuiniger is dan de benzine.

De afbeelding toont een schema met de meest representatieve elementen die een Otto-cyclus beschrijven

Dieselcycli beschrijven theoretisch de werking van ECOM-motoren (motoren met compressieontsteking). Het diagram toont enkele kenmerken van deze cyclus.

Thermodynamische processen van verbrandingsmotoren

De algemene viertakt-zuigermotoren bestaan ​​in de praktijk uit vier processen: inlaat, compressie, expansie en uitlaat.

Bij zowel motoren met vonkontsteking als dieselmotoren gaat tijdens het inlaatproces de inlaatklep in de cilinder open om lucht binnen te laten (in het geval van dieselmotoren). dieselmotoren) en lucht en brandstof (in motoren met vonkontsteking), die optreedt bij atmosferische druk (hiervoor is een druk in de cilinder vereist lager). De invoer van dit volume in de cilinder beweegt de zuiger naar het onderste dode punt (BDC) totdat het maximale volume wordt bereikt waar de inlaatklep sluit.

Tijdens het compressieproces blijven de in- en uitlaatkleppen gesloten en beweegt de zuiger naar het bovenste dode punt (TDC), waarbij de inhoud van de kamer wordt samengedrukt totdat het volume is bereikt minimum. In tegenstelling tot motoren met vonkontsteking, waarbij de compressieverhouding rond is dan 11, in de cilinders van dieselmotoren moet deze verhouding ongeveer hoger zijn 18. Door dit langere pad kunnen hogere temperaturen worden bereikt om de zelfontbranding van de brandstof in het volgende proces te garanderen, dat wil zeggen de temperatuur van de lucht aan het einde van het compressieproces, moet hoger zijn dan die gegeven in de zelfontbranding van de brandstof, zodat deze kan ontbranden bij het binnenkomen van de compressiekamer. verbranding.

Dieselcycli hebben grotere cilinders nodig dan benzine- of gasmotoren, dus beide worden veel gebruikt in vrachtwagens of grote transportmiddelen, evenals in de agro-industrie.

Het proces dat volgt is dat van expansie of krachtslag, en het begint wanneer de zuiger het bovenste dode punt bereikt. Bij motoren met vonkontsteking is de verbranding praktisch onmiddellijk en vindt plaats via de ontsteking van een vonk gegenereerd door de bougie, die de verbranding van het mengsel van lucht en veroorzaakt brandstof. In het geval van ECOM-motoren is het proces iets langzamer, beginnend wanneer de zuiger op BDP staat en de injectoren brandstof in de kamer spuiten. Wanneer diesel- of gasolie bij hoge temperatuur in contact komt met lucht, ontbrandt dit mengsel en drijft de zuiger naar BDC waardoor de verbrandingsgassen uitzetten en de krukas van de motor gaat draaien. motor.

De afbeelding toont een cilinder van een verbrandingsmotor. Je kunt de kleppen en de zuiger zien.

Ten slotte is er het openen van de uitlaatklep zodat de zuiger omhoog gaat en de verbrandingsgassen verdringt en de cyclus opnieuw begint.

In dieselmotoren worden bougies niet gebruikt zoals in benzinemotoren, omdat het verbrandingsproces dat wel is geproduceerd dankzij de druk- en temperatuuromstandigheden in de verbrandingskamer op het moment van injectie brandstof.

Om de berekeningen en thermodynamische analyse in de cilinders van de motoren te vereenvoudigen interne verbranding, worden enkele aannames gedaan, zoals standaard luchtoverwegingen en dat de processen zijn omkeerbaar. Door deze uitgangspunten worden de Otto- en Diesel-cycli ontwikkeld om de vier processen te vormen, zoals weergegeven in de volgende afbeelding:

De vier processen van viertakt verbrandingsmotoren.

1-2: isentropische compressie
2-3: Toevoeging van warmte. In Otto-cycli wordt dit proces verondersteld bij constant volume (isochoor) en in dieselcycli benadert het één bij constante druk (isobaar).
3-4: isentropische expansie
4-1: Warmteafwijzing met constant volume (isochoraal)

Het diagram aan de linkerkant toont de processen die plaatsvinden in motoren met vonkontsteking. In de praktijk is het een open proces waarbij buitenlucht wordt aangezogen en uitlaatgassen worden afgevoerd naar de omgeving. Aan de rechterkant wordt de vereenvoudiging van dit model waargenomen als een gesloten cyclus gevormd door twee isentropische processen en twee isochoren.

In de dieselcyclus worden de inlaat- en uitlaatprocessen vervangen door die van warmtetoevoeging met constante druk en warmteafvoer met constant volume. Bovendien wordt aangenomen dat de compressie- en expansieprocessen isentroop zijn.

Viertakt verbrandingsmotoren worden niet alleen in de transportsector gebruikt. Ze hebben ook bepaalde toepassingen op residentieel en industrieel niveau, bijvoorbeeld om warmtekrachtkoppeling toe te passen, en elektriciteit (of mechanische energie) en warmte verkrijgen van een enkele primaire bron, die de brandstof zou zijn gebruikt. Voor warmtekrachtkoppelingsdoeleinden komen Otto-cycli en gasturbines echter vaker voor.

Efficiëntie van viertakt verbrandingsmotoren

Zoals alle thermodynamische cycli bieden gascycli een maatstaf voor hun prestaties op basis van thermisch rendement (η_ter), die de relatie laten zien tussen het netto werk wneto gedeeld door de warmte-inbreng qent:

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

Waar:
Wat_zout vertegenwoordigt de warmte die op een isochore manier wordt afgewezen.

de Q_zout Het wordt bepaald door de verandering in interne energie (u) tussen de toestanden waarin het warmteafwijzingsproces plaatsvindt, dat wil zeggen toestanden 4 en 1. Deze hoeveelheden zijn afkomstig uit de stoomtabellen en om de waarden te lokaliseren, is het noodzakelijk om twee stukjes informatie over de toestand te kennen, bijvoorbeeld de temperatuur en de druk. Bovendien is het vereist om de toestandsvergelijking (P.v = R.T) toe te passen, en de relatie van drukken, volumes of drukken/relatieve volumes die optreden tussen isentropische processen.

In Otto-cycli wordt het warmtetoevoegingsproces uitgevoerd met een constant volume, dus de invoerwarmte q_in wordt bepaald door de verandering in interne energie tussen toestanden 2 en 3, dat wil zeggen u₃ - of₂:

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

In het geval van het warmtetoevoegingsproces voor dieselcycli wordt aangenomen dat dit bij constante druk is, en de invoerwarmte q_in, wordt berekend uit de enthalpieverandering (h) tussen de toestanden waarin dit proces plaatsvindt, dat wil zeggen tussen toestanden 3 en 2. Met deze overwegingen kan de efficiëntie van een dieselcyclus worden bepaald met behulp van de uitdrukking:

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

Dit schema toont enkele verschillen tussen de Otto-cyclus en de Diesel-cyclus. Als beide motoren met dezelfde compressieverhouding (r) zouden kunnen werken, zouden Otto-cycli efficiënter zijn, maar in de praktijk hebben dieselmotoren hogere compressieverhoudingen.

De compressieverhouding (r) en intake cutoff (r_C)

Deze dimensieloze waarde is een parameter in gascycli en wordt uitgedrukt als de koppeling die optreedt over de maximale en minimale volumes van de cilinder:

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

In zowel de Otto- als de Diesel-cyclus wordt het maximale volume verkregen in toestand 1 of 4. Het minimale volume in de Otto-cyclus komt voor in toestand 2 en 3, maar in Diesel komt het alleen voor in toestand 2.

De dimensieloze constante van soortelijke warmte "k" wordt ook gedefinieerd, en vertegenwoordigt de relatie die is geïdentificeerd met betrekking tot de variabelen van soortelijke warmte bij constante druk (C_P) en soortelijke warmte bij constant volume (C_v):

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

Bovendien wordt in dieselcycli de grenswaarde of inlaatsluiting gebruikt berekend door het maximale volume te delen door het minimale volume tijdens het warmtetoevoegingsproces inspraak:

\({r_c} = {\links( {\frac{{{V_{max}}}}{{{V_{min}}}}} \right) n\;van\;warmte} } = \frac{ {{V_3}}}{{{V_2}}} = \frac{{{v_3}}}{{{v_2}}}\)

Efficiëntie van verbrandingsmotoren met behulp van constante specifieke warmteaannames

In een gascyclus kan soms worden aangenomen dat het werkt onder aannames van specifieke warmte die niet varieert met de temperatuur, ook wel koude lucht genoemd. standaard, (maar in de praktijk als er variatie is), en onder deze overweging wordt de thermische efficiëntie van elke cyclus bepaald met het volgende uitdrukkingen:

Voor de Otto-cyclus

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

Het diagram aan de linkerkant toont het karakteristieke bereik van waarden voor de compressieverhouding voor motoren met vonkontsteking. Aan de rechterkant wordt de variatie van de efficiëntie van een Otto-cyclus waargenomen als functie van de compressieverhouding (r), voor verschillende waarden van k.

Voor de dieselcyclus

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

Waar_v is de soortelijke warmte van lucht bij constant volume (C._v = 0,718 kJ/kg. K.), en C._P de soortelijke warmte bij constante druk, die voor lucht bij omgevingsomstandigheden C is_P = 1.005 kJ/kg. K.

Het diagram toont het typische bereik van de compressieverhouding (r) voor dieselmotoren, evenals de variatie van het thermisch rendement van de cyclus voor verschillende waarden van inlaatafsnijverhoudingen (R_C).