Co to jest cykl Otto i cykl Diesla i jak są zdefiniowane?

Oba stanowią modele teoretyczne, które służą do opisu zachodzących cykli termodynamicznych gazów. przeprowadzane w czterosuwowych silnikach spalinowych o zapłonie iskrowym i samozapłonie odpowiednio.

Cykl Otto zawdzięcza swoją nazwę temu, że to niemiecki inżynier Nikolaus Otto w 1876 roku opracował ten cykl czterosuwowy silnik o zapłonie iskrowym, oparty na modelu zaproponowanym w 1862 roku przez Beau de Rochas. Silnik ten wykonuje cztery procesy termodynamiczne w dwóch cyklach mechanicznych. Z kolei cykl Diesla został opracowany w latach 1890-1897 przez Rudolfta Diesela w Niemczech dla firmy transportowej MAN, z zamiarem produkowania silników o wyższych osiągach niż silniki parowe z innych paliw, które oferują wyższe wydajności. Od tego czasu dzieło to było udoskonalane i na przykład w 1927 roku firma BOSH wprowadziła na rynek pompkę wtrysk do Diesla, który pomógł zmniejszyć zużycie paliwa, które jest bardziej ekonomiczne niż w przypadku benzyna.

Obraz przedstawia schemat z najbardziej reprezentatywnymi elementami opisującymi cykl Otto

Cykle diesla teoretycznie opisują działanie silników ECOM (silników o zapłonie samoczynnym). Diagram przedstawia niektóre cechy tego cyklu.

Procesy termodynamiczne silników spalinowych

Ogólnie rzecz biorąc, czterosuwowe silniki tłokowe w praktyce składają się z czterech procesów: wlotu, sprężania, rozprężania i wydechu.

Zarówno w silnikach o zapłonie iskrowym, jak i silnikach Diesla, podczas procesu ssania zawór wlotowy otwiera się w cylindrze, aby umożliwić wejście powietrza (w przypadku silników Diesla). silników wysokoprężnych) oraz powietrza i paliwa (w silnikach z zapłonem iskrowym), które występuje pod ciśnieniem atmosferycznym (do tego potrzebne jest ciśnienie wewnątrz cylindra niżej). Wejście tej objętości do cylindra przesuwa tłok w kierunku dolnego martwego punktu (BDC), aż do osiągnięcia maksymalnej objętości, przy której zamyka się zawór dolotowy.

Podczas procesu sprężania zawory dolotowe i wydechowe pozostają zamknięte, a tłok porusza się w kierunku górnego martwego punktu (TDC), ściskając zawartość komory aż do osiągnięcia objętości minimum. W przeciwieństwie do silników z zapłonem iskrowym, w których stopień sprężania wynosi około niż 11, w cylindrach silników Diesla stosunek ten musi być w przybliżeniu wyższy 18. Ta dłuższa droga pozwala na osiągnięcie wyższych temperatur gwarantujących samozapłon paliwa w następnym procesie, tj. powietrza pod koniec procesu sprężania, musi być wyższa niż podana w samozapłonie paliwa, aby mogło się ono zapalić po wejściu do komory sprężania. spalanie.

Cykle Diesla wymagają większych cylindrów niż silniki benzynowe lub gazowe, więc oba są powszechnie stosowane w samochodach ciężarowych lub dużych środkach transportu, a także w przemysł rolniczy.

Następujący proces to ekspansja lub suw roboczy i rozpoczyna się, gdy tłok osiągnie górny martwy punkt. W silnikach o zapłonie iskrowym spalanie jest praktycznie natychmiastowe i odbywa się poprzez zapłon iskry generowanej przez świecę zapłonową, co powoduje spalenie mieszanki powietrza i paliwo. W przypadku silników ECOM proces ten jest nieco wolniejszy i rozpoczyna się, gdy tłok znajduje się w GMP, a wtryskiwacze wtryskują paliwo do komory. Kiedy olej napędowy lub olej napędowy wchodzi w kontakt z powietrzem o wysokiej temperaturze, ta mieszanina zapala się i napędza tłok w kierunku BDC, rozszerzając gazy spalinowe i powodując obrót wału korbowego silnika. silnik.

Obraz przedstawia cylinder silnika spalinowego. Widać zawory i tłok.

Na koniec następuje otwarcie zaworu wydechowego, dzięki czemu tłok podnosi się i wypiera gazy spalinowe, a cykl zaczyna się od nowa.

W silnikach Diesla świece zapłonowe nie są stosowane tak jak w silnikach benzynowych, ponieważ proces spalania jest wytwarzany dzięki warunkom ciśnieniowo-temperaturowym panującym w komorze spalania w momencie wtrysku paliwo.

W celu uproszczenia obliczeń i analiz termodynamicznych wewnątrz cylindrów silników spalanie wewnętrzne, przyjmuje się pewne założenia, takie jak standardowe względy dotyczące powietrza i że procesy są odwracalny. Dzięki tym przesłankom opracowano cykle Otto i Diesel, tworząc cztery procesy, jak pokazano na poniższym obrazku:

Cztery procesy czterosuwowych silników spalinowych.

1-2: kompresja izentropowa
2-3: Dodawanie ciepła. W cyklach Otto proces ten przyjmuje się przy stałej objętości (izochor), aw cyklach Diesla zbliża się do jedności przy stałym ciśnieniu (izobarycznym).
3-4: ekspansja izentropowa
4-1: Odrzucanie ciepła o stałej objętości (izochoralne)

Schemat po lewej stronie przedstawia procesy zachodzące w silnikach o zapłonie iskrowym. W praktyce jest to proces otwarty, wymagający poboru powietrza z zewnątrz i wydalenia spalin do otoczenia. Po prawej stronie uproszczenie tego modelu obserwuje się jako zamknięty cykl utworzony przez dwa procesy izentropowe i dwie izochory.

W cyklu Diesla procesy dolotu i wydechu są zastępowane przez procesy dostarczania ciepła pod stałym ciśnieniem i odprowadzania ciepła o stałej objętości. Ponadto zakłada się, że procesy kompresji i rozprężania są izentropowe.

Czterosuwowe silniki spalinowe znajdują zastosowanie nie tylko w transporcie. Mają również pewne zastosowania na poziomie mieszkaniowym i przemysłowym, na przykład zastosowanie kogeneracji i uzyskiwać energię elektryczną (lub energię mechaniczną) i ciepło z jednego pierwotnego źródła, którym byłoby paliwo używany. Jednak do celów kogeneracji bardziej powszechne są cykle Otto i turbiny gazowe.

Sprawność czterosuwowych silników spalinowych

Podobnie jak wszystkie cykle termodynamiczne, cykle gazowe oferują miarę ich wydajności w oparciu o sprawność cieplną (η_ter), które przedstawiają zależność między pracą netto wneto podzieloną przez doprowadzone ciepło qent:

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

Gdzie:
Co_sól reprezentuje ciepło oddawane w sposób izochoryczny.

Q_sól Jest ona określona przez zmianę energii wewnętrznej (u) pomiędzy stanami, w których zachodzi proces oddawania ciepła, czyli stanami 4 i 1. Wielkości te są pobierane z tabel pary, a aby zlokalizować wartości, konieczna jest znajomość dwóch informacji o stanie, na przykład temperatury i ciśnienia. Dodatkowo wymagane jest zastosowanie równania stanu (P.v = R.T) oraz zależności ciśnień, objętości lub ciśnień/objętości względnych zachodzących pomiędzy procesami izentropowymi.

W cyklach Otto proces dodawania ciepła odbywa się przy stałej objętości, stąd ciepło wejściowe q_W jest określony przez zmianę energii wewnętrznej między stanami 2 i 3, czyli u₃ - Lub₂:

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

W przypadku procesu dodawania ciepła dla obiegów Diesla zakłada się, że odbywa się to przy stałym ciśnieniu, a ciepło wejściowe q_W, oblicza się ze zmiany entalpii (h) między stanami, w których zachodzi ten proces, czyli między stanami 3 i 2. Biorąc pod uwagę te rozważania, wydajność cyklu Diesla można określić za pomocą wyrażenia:

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

Ten schemat pokazuje pewne różnice między cyklem Otto a cyklem Diesla. Gdyby oba silniki mogły pracować przy tym samym stopniu sprężania (r), cykle Otto byłyby bardziej wydajne, jednak w praktyce silniki Diesla mają wyższy stopień sprężania.

Stopień sprężania (r) i odcięcie wlotu (r_C)

Ta bezwymiarowa wartość jest parametrem w cyklach gazowych i jest wyrażona jako związek występujący w maksymalnej i minimalnej objętości cylindra:

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

Zarówno w cyklu Otto, jak i Diesla, maksymalna objętość jest uzyskiwana w stanach 1 lub 4. Minimalna objętość w cyklu Otto występuje w stanach 2 i 3, ale w Diesel występuje tylko w stanie 2.

Bezwymiarowa stała ciepła właściwego „k” jest również zdefiniowana i reprezentuje zależność zidentyfikowaną w odniesieniu do zmiennych ciepła właściwego przy stałym ciśnieniu ( C_P) i ciepło właściwe przy stałej objętości (C_w):

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

Dodatkowo w cyklach Diesla stosuje się współczynnik odcięcia lub zamknięcie wlotu, czyli tzw obliczona przez podzielenie maksymalnej objętości przez minimalną objętość podczas procesu dodawania ciepła, tj mowić:

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

Sprawność silników spalinowych przy założeniu stałego ciepła właściwego

W cyklu gazowym można czasami założyć, że działa przy założeniu określonych ciepła, które nie zmieniają się wraz z temperaturą, zwanych także zimnym powietrzem. norma (jednak w praktyce, jeśli występują różnice) i biorąc pod uwagę tę kwestię, sprawność cieplna każdego cyklu jest określana za pomocą następującego wzoru wyrażenia:

Do cyklu Otto

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

Wykres po lewej stronie przedstawia charakterystyczny zakres wartości stopnia sprężania dla silników o zapłonie iskrowym. Po prawej stronie obserwuje się zmianę wydajności cyklu Otto w funkcji stopnia sprężania (r), dla różnych wartości k.

Dla cyklu Diesla

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

Gdzie_w to ciepło właściwe powietrza przy stałej objętości (C._w = 0,718 kJ/kg. k.), i C._P ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu, które dla powietrza w warunkach otoczenia wynosi C_P = 1,005 kJ/kg. k.

Na wykresie przedstawiono typowy zakres stopnia sprężania (r) dla silników Diesla, a także zmienność sprawności cieplnej cyklu dla różnych wartości współczynników cięcia dolotowego (R_C).