Ce este ciclul Otto și ciclul Diesel și cum sunt ele definite?

Ambele constituie modelele teoretice care sunt folosite pentru a descrie ciclurile termodinamice ale gazelor care se desfășoară. efectuate la motoarele cu ardere internă în patru timpi cu aprindere prin scânteie și autoaprindere respectiv.

Ciclul Otto își datorează numele faptului că inginerul german Nikolaus Otto a fost cel care în 1876 a dezvoltat acest motor în patru timpi cu aprindere prin scânteie, bazat pe modelul propus în 1862 de Beau de Rochas. Acest motor execută patru procese termodinamice în două cicluri mecanice. La rândul său, ciclul Diesel a fost dezvoltat între 1890 și 1897 de către Rudolft Diesel în Germania pentru compania de transport MAN, cu intenția de a fabrica motoare cu performanțe mai mari decât motoarele cu abur din alți combustibili care oferă mai mult eficiențe. Această creație a fost rafinată de atunci și, de exemplu, în 1927, compania BOSH a lansat o pompă injecție pentru Diesel care a ajutat la reducerea consumului de combustibil, care este mai economic decât cel benzină.

Imaginea prezintă o schemă cu cele mai reprezentative elemente care descriu un ciclu Otto

Ciclurile diesel descriu teoretic funcționarea motoarelor ECOM (motoare cu aprindere prin compresie). Diagrama prezintă câteva caracteristici ale acestui ciclu.

Procese termodinamice ale motoarelor cu ardere internă

Motoarele cu piston în patru timpi generale, în practică, sunt alcătuite din patru procese: admisie, compresie, expansiune și evacuare.

Atât la motoarele cu aprindere prin scânteie, cât și la motoarele Diesel, în timpul procesului de admisie, supapa de admisie se deschide în cilindru pentru a permite intrarea aerului (în cazul motoarelor diesel). Motoare diesel) și aer și combustibil (în motoarele cu aprindere prin scânteie), care are loc la presiunea atmosferică (pentru aceasta, este necesară o presiune în interiorul cilindrului). inferior). Introducerea acestui volum în cilindru deplasează pistonul spre punctul mort inferior (BDC) până la atingerea volumului maxim la care se închide supapa de admisie.

În timpul procesului de compresie, supapele de admisie și de evacuare rămân închise și pistonul se mișcă spre punctul mort superior (TDC), comprimând conținutul camerei până la atingerea volumului minim. Spre deosebire de motoarele cu aprindere prin scânteie, unde raportul de compresie este în jur decat 11, in cilindrii motoarelor Diesel acest raport se cere sa fie mai mare, aproximativ 18. Această cale mai lungă permite atingerea unor temperaturi mai ridicate pentru a garanta autoaprinderea combustibilului în următorul proces, adică temperatura aer la sfarsitul procesului de compresie, trebuie sa fie mai mare decat cel dat in autoaprinderea combustibilului pentru ca acesta sa se poata aprinde la intrarea in camera de compresie. combustie.

Ciclurile diesel necesită cilindri mai mari decât motoarele pe benzină sau pe gaz, deci ambele sunt utilizate în mod obișnuit în camioane sau mijloace mari de transport precum și în agroindustria.

Procesul care urmează este cel de expansiune sau cursă de putere și începe atunci când pistonul atinge punctul mort superior. La motoarele cu aprindere prin scânteie, arderea este practic instantanee și are loc prin aprinderea unei scântei generată de bujie, care determină arderea amestecului de aer și combustibil. În cazul motoarelor ECOM, procesul este puțin mai lent, începând când pistonul este la PMS și injectoarele pulverizează combustibil în cameră. Când motorina sau motorina intră în contact cu aerul la temperatură ridicată, acest amestec se aprinde și conduce pistonul spre BDC extinzând gazele de ardere și determinând rotirea arborelui cotit al motorului. motor.

Imaginea prezintă un cilindru al unui motor cu ardere internă. Puteți vedea supapele și pistonul.

În cele din urmă, există deschiderea supapei de evacuare astfel încât pistonul să se ridice și să deplaseze gazele de ardere și ciclul să înceapă din nou.

La motoarele diesel, bujiile nu sunt folosite ca la motoarele pe benzină, deoarece procesul de ardere este produs gratie conditiilor de presiune si temperatura din camera de ardere in momentul injectarii combustibil.

Pentru a simplifica calculele si analiza termodinamica in interiorul cilindrilor motoarelor de combustie internă, se fac unele ipoteze, cum ar fi considerațiile standard ale aerului și că procesele sunt reversibil. Prin aceste premise se dezvoltă ciclurile Otto și Diesel, pentru a forma cele patru procese, așa cum se arată în imaginea următoare:

Cele patru procese ale motoarelor cu ardere internă în patru timpi.

1-2: compresie izoentropică
2-3: Adăugarea de căldură. În ciclurile Otto, acest proces este presupus la volum constant (izocor) iar în ciclurile Diesel se apropie de unul la presiune constantă (izobar).
3-4: expansiune izoentropică
4-1: Respingere a căldurii cu volum constant (izocorală)

Diagrama din stânga arată procesele care au loc în motoarele cu aprindere prin scânteie. În practică, este un proces deschis care necesită o admisie de aer exterior și o expulzare a gazelor de evacuare în mediu. În dreapta, simplificarea acestui model se observă ca un ciclu închis format din două procese izoentropice și două izocore.

În ciclul Diesel, procesele de admisie și evacuare sunt înlocuite cu cele de adăugare de căldură la presiune constantă și de respingere a căldurii cu volum constant. În plus, procesele de compresie și expansiune sunt presupuse a fi izoentropice.

Motoarele cu ardere internă în patru timpi nu sunt folosite doar în industria transporturilor. Au și anumite aplicații la nivel rezidențial și industrial, de exemplu, pentru a aplica cogenerarea și obține energie electrică (sau energie mecanică) și căldură dintr-o singură sursă primară, care ar fi combustibilul folosit. Cu toate acestea, în scopuri de cogenerare, ciclurile Otto și turbinele cu gaz sunt mai frecvente.

Eficiența motoarelor cu ardere internă în patru timpi

Ca toate ciclurile termodinamice, ciclurile cu gaz oferă o măsură a performanței lor bazată pe eficiența termică (η_ter), care arată relația dintre lucrul net wneto împărțit la aportul de căldură qent:

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

Unde:
ce_sare reprezintă căldura respinsă în mod izocor.

q_sare Este determinată de modificarea energiei interne (u) între stările în care are loc procesul de respingere a căldurii, adică stările 4 și 1. Aceste cantități sunt preluate din tabelele de abur, iar pentru a localiza valorile este necesar să se cunoască două informații despre stare, de exemplu, temperatura și presiunea. În plus, este necesar să se aplice ecuația de stare (P.v = R.T) și relația dintre presiuni, volume sau presiuni/volume relative care apare între procesele isentropice.

În ciclurile Otto, procesul de adăugare de căldură se desfășoară la volum constant, deci căldura introdusă q_în este determinată de modificarea energiei interne între stările 2 și 3, adică u₃ - sau₂:

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

În cazul procesului de adăugare de căldură pentru ciclurile Diesel, se presupune că acesta este la presiune constantă, iar căldura introdusă q_în, se calculează din modificarea de entalpie (h) între stările în care are loc acest proces, adică între stările 3 și 2. Cu aceste considerații, eficiența unui ciclu Diesel poate fi determinată folosind expresia:

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

Această schemă arată unele diferențe între ciclul Otto și ciclul Diesel. Dacă ambele motoare ar putea funcționa la același raport de compresie (r), ciclurile Otto ar fi mai eficiente, totuși, în practică, motoarele Diesel au rapoarte de compresie mai mari.

Raportul de compresie (r) și limita de admisie (r_c)

Această valoare adimensională este un parametru în ciclurile de gaz și este exprimată ca legătura care are loc între volumele maxime și minime ale cilindrului:

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

În ambele cicluri Otto și Diesel, volumul maxim se obține în stările 1 sau 4. Volumul minim în ciclul Otto apare în stările 2 și 3, dar în Diesel apare doar în starea 2.

Constanta adimensională a căldurii specifice „k” este, de asemenea, definită și reprezintă relația identificată în raport cu variabilele căldurii specifice la presiune constantă (C_p) și căldura specifică la volum constant (C_v):

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

În plus, în ciclurile Diesel se utilizează raportul de întrerupere sau închiderea admisiei, adică calculat prin împărțirea volumului maxim la volumul minim în timpul procesului de adăugare de căldură, adică Spune:

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

Eficiența motoarelor cu ardere internă utilizând ipoteze de căldură specifică constantă

Într-un ciclu de gaz, uneori se poate presupune că funcționează în ipotezele unor călduri specifice care nu variază în funcție de temperatură, numită și aer rece. standard, (totuși, în practică, dacă există variații), iar în acest sens, eficiența termică a fiecărui ciclu este determinată cu următoarele expresii:

Pentru ciclul Otto

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

Diagrama din stânga arată intervalul caracteristic de valori pentru raportul de compresie pentru motoarele cu aprindere prin scânteie. În dreapta, se observă variația eficienței unui ciclu Otto în funcție de raportul de compresie (r), pentru diferite valori ale lui k.

Pentru ciclul Diesel

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

Unde_v este căldura specifică a aerului la volum constant (C._v = 0,718 kJ/kg. K.), și C._p căldura specifică la presiune constantă, care pentru aer în condiții ambientale este C_p = 1,005 kJ/kg. K.

Diagrama arată intervalul tipic al raportului de compresie (r) pentru motoarele diesel, precum și variația eficienței termice a ciclului pentru diferite valori ale rapoartelor de reducere a admisiei (r_c).