Hva er Otto-syklusen og Diesel-syklusen, og hvordan defineres de?

Begge utgjør de teoretiske modellene som brukes for å beskrive gass termodynamiske sykluser som gjennomføres. utføres i firetakts forbrenningsmotorer med gnistenning og selvtenning hhv.

Otto-syklusen skylder navnet sitt til at det var den tyske ingeniøren Nikolaus Otto som i 1876 utviklet denne firetaktsmotor med gnisttenning, basert på modellen foreslått i 1862 av Beau de Rochas. Denne motoren utfører fire termodynamiske prosesser i to mekaniske sykluser. Diesel-syklusen ble på sin side utviklet mellom 1890 og 1897 av Rudolft Diesel i Tyskland for transportselskapet MAN, med intensjon om å produsere motorer med høyere ytelse enn dampmotorer fra andre drivstoff som tilbyr høyere effektivitetsgevinster. Denne kreasjonen har blitt foredlet siden, og for eksempel lanserte BOSH-selskapet i 1927 en pumpe injeksjon for Diesel som bidro til å redusere drivstofforbruket, noe som er mer økonomisk enn bensin.

Bildet viser et opplegg med de mest representative elementene som beskriver en Otto-syklus

Dieselsykluser beskriver teoretisk driften av ECOM-motorer (motorer med kompresjonstenning). Diagrammet viser noen funksjoner i denne syklusen.

Termodynamiske prosesser av forbrenningsmotorer

De generelle firetakts stempelmotorene består i praksis av fire prosesser: inntak, kompresjon, ekspansjon og eksos.

I både gnisttenningsmotorer og dieselmotorer, under inntaksprosessen, åpnes inntaksventilen i sylinderen for å la luft komme inn (i tilfelle av dieselmotorer). Dieselmotorer) og luft og drivstoff (i gnisttenningsmotorer), som oppstår ved atmosfærisk trykk (for dette kreves et trykk inne i sylinderen Nedre). Innføringen av dette volumet i sylinderen beveger stempelet mot bunnen av dødpunktet (BDC) til det maksimale volumet når inntaksventilen lukkes.

Under kompresjonsprosessen forblir inntaks- og eksosventilene stengt og stempelet beveger seg mot øvre dødpunkt (TDC), og komprimer innholdet i kammeret til du når volumet minimum. I motsetning til gnisttenningsmotorer, hvor kompresjonsforholdet er rundt enn 11, i sylindrene til dieselmotorer kreves dette at forholdet er høyere, ca 18. Denne lengre banen gjør det mulig å nå høyere temperaturer for å garantere selvtenning av drivstoffet i følgende prosess, det vil si temperaturen til luft ved slutten av kompresjonsprosessen, må være høyere enn det som er gitt ved selvantenning av drivstoffet slik at det kan antennes når det kommer inn i kompresjonskammeret. forbrenning.

Diesel sykluser krever større sylindre enn bensin eller gassmotorer, så begge er ofte brukt i lastebiler eller store transportmidler så vel som i agroindustri.

Prosessen som følger er ekspansjon eller kraftslag, og den begynner når stempelet når det øverste dødpunktet. I gnisttenningsmotorer er forbrenningen praktisk talt øyeblikkelig og skjer gjennom antennelse av en gnist generert av tennpluggen, som forårsaker forbrenning av blandingen av luft og brensel. Når det gjelder ECOM-motorer, er prosessen litt langsommere, og starter når stempelet er på TDC og injektorene sprøyter drivstoff inn i kammeret. Når diesel eller gassolje kommer i kontakt med luft ved høy temperatur, antennes denne blandingen og driver stempelet mot BDC og utvider forbrenningsgassene og får motorens veivaksel til å rotere. motor.

Bildet viser en sylinder til en forbrenningsmotor. Du kan se ventilene og stempelet.

Til slutt er det åpningen av eksosventilen slik at stempelet stiger og fortrenger forbrenningsgassene og syklusen begynner på nytt.

I dieselmotorer brukes ikke tennplugger som i bensinmotorer, siden forbrenningsprosessen er produsert takket være trykk- og temperaturforholdene i forbrenningskammeret ved injeksjonsøyeblikket brensel.

For å forenkle beregningene og termodynamisk analyse inne i sylindrene til motorene til intern forbrenning, gjøres noen forutsetninger, som standard luftbetraktninger og at prosessene er reversible. Gjennom disse lokalene utvikles Otto- og Diesel-syklusene, for å danne de fire prosessene, som vist i følgende bilde:

De fire prosessene til firetakts forbrenningsmotorer.

1-2: isentropisk kompresjon
2-3: Tilførsel av varme. I Otto-sykluser antas denne prosessen ved konstant volum (isokor) og i Diesel-sykluser nærmer den seg en ved konstant trykk (isobar).
3-4: isentropisk ekspansjon
4-1: Konstant volum varmeavvisning (isokoral)

Diagrammet til venstre viser prosessene som foregår i gnisttenningsmotorer. I praksis er det en åpen prosess som krever inntak av uteluft og utstøting av avgasser til miljøet. Til høyre er forenklingen av denne modellen observert som en lukket syklus dannet av to isentropiske prosesser og to isokorer.

I Diesel-syklusen erstattes inntaks- og eksosprosessene med prosesser med konstant trykkvarmetilsetning og konstant volumvarmeavvisning. Videre antas kompresjons- og ekspansjonsprosessene å være isentropiske.

Firetakts forbrenningsmotorer brukes ikke bare i transportindustrien. De har også visse bruksområder på bolig- og industrinivå, for eksempel å anvende kraftvarme, og få elektrisitet (eller mekanisk energi) og varme fra en enkelt primærkilde, som vil være drivstoffet brukt. For kraftvarmeformål er imidlertid Otto-sykluser og gassturbiner mer vanlig.

Effektiviteten til firetakts forbrenningsmotorer

Som alle termodynamiske sykluser, gir gasssykluser et mål på ytelsen deres basert på termisk effektivitet (η_ter), som viser forholdet mellom nettoarbeidet wneto delt på varmetilførselsmengden:

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

Hvor:
hva_salt representerer varmen som avvises på en isokorisk måte.

den q_salt Det bestemmes av endringen i intern energi (u) mellom tilstandene der varmeavvisningsprosessen skjer, det vil si tilstand 4 og 1. Disse mengdene er hentet fra damptabellene, og for å finne verdiene er det nødvendig å kjenne til to opplysninger om tilstanden, for eksempel temperaturen og trykket. I tillegg er det nødvendig å anvende tilstandsligningen (P.v = R.T), og forholdet mellom trykk, volumer eller trykk/relative volumer som oppstår mellom isentropiske prosesser.

I Otto-sykluser utføres varmetilførselsprosessen ved konstant volum, derfor tilførselsvarmen q_i bestemmes av endringen i indre energi mellom tilstandene 2 og 3, det vil si u₃ - eller₂:

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

Når det gjelder varmetilførselsprosessen for dieselsykluser, antas denne å være ved konstant trykk, og tilførselsvarmen q_i, beregnes fra entalpiendringen (h) mellom tilstandene der denne prosessen finner sted, det vil si mellom tilstandene 3 og 2. Med disse betraktningene kan effektiviteten til en dieselsyklus bestemmes ved å bruke uttrykket:

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

Dette skjemaet viser noen forskjeller mellom Otto-syklusen og Diesel-syklusen. Hvis begge motorene kunne operere med samme kompresjonsforhold (r), ville Otto-sykluser være mer effektive, men i praksis har dieselmotorer høyere kompresjonsforhold.

Kompresjonsforholdet (r) og inntaksavskjæring (r_c)

Denne dimensjonsløse verdien er en parameter i gasssykluser, og uttrykkes som koblingen som oppstår over maksimums- og minimumsvolumene til sylinderen:

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

I både Otto- og Diesel-syklusene oppnås maksimalt volum i tilstand 1 eller 4. Minimumsvolumet i Otto-syklusen forekommer i tilstand 2 og 3, men i Diesel forekommer det bare i tilstand 2.

Den dimensjonsløse konstanten for spesifikk varme "k" er også definert, og representerer forholdet identifisert med hensyn til variablene for spesifikk varme ved konstant trykk (C_s) og spesifikk varme ved konstant volum (C_v):

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

I tillegg, i Diesel-sykluser brukes cutoff-forholdet eller inntakslukkingen, som er beregnes ved å dele maksimalt volum med minimumsvolumet under varmetilsetningsprosessen, dvs si:

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

Effektivitet av forbrenningsmotorer ved bruk av konstante spesifikke varmeantakelser

I en gasssyklus kan det noen ganger antas å fungere under antakelser om spesifikke varme som ikke varierer med temperaturen, også kalt kald luft. standard, (men i praksis hvis det er variasjon), og under denne vurderingen bestemmes den termiske effektiviteten for hver syklus med følgende uttrykkene:

For Otto-syklusen

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

Diagrammet til venstre viser det karakteristiske verdiområdet for kompresjonsforholdet for gnisttenningsmotorer. Til høyre observeres variasjonen av effektiviteten til en Otto-syklus som en funksjon av kompresjonsforholdet (r), for forskjellige verdier av k.

For dieselsyklusen

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

Hvor_v er den spesifikke varmen til luft ved konstant volum (C._v = 0,718kJ/kg. K.), og C._s den spesifikke varmen ved konstant trykk, som for luft ved omgivelsesforhold er C_s = 1,005 kJ/kg. K.

Diagrammet viser det typiske kompresjonsforholdet (r) for dieselmotorer, så vel som variasjon av den termiske effektiviteten til syklusen for forskjellige verdier av inntakskuttforhold (r_c).