Что такое цикл Отто и цикл Дизеля и как они определяются?

Обе представляют собой теоретические модели, которые используются для описания осуществляемых газовых термодинамических циклов. осуществляется в четырехтактных двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием и самовоспламенением соответственно.

Цикл Отто обязан своим названием тому факту, что именно немецкий инженер Николаус Отто в 1876 году разработал этот цикл. четырехтактный двигатель с искровым зажиганием, основанный на модели, предложенной в 1862 году Бо де Рочас. Этот двигатель выполняет четыре термодинамических процесса за два механических цикла. Со своей стороны, цикл Дизеля был разработан между 1890 и 1897 годами Рудольфом Дизелем в Германии для транспортной компании MAN. намерение производить двигатели с более высокими характеристиками, чем паровые двигатели, на других видах топлива, которые предлагают более высокую эффективность. С тех пор это творение совершенствовалось, и, например, в 1927 году компания BOSH выпустила насос впрыск для дизеля, который помог снизить расход топлива, что является более экономичным, чем бензин.

На изображении показана схема с наиболее репрезентативными элементами, описывающими цикл Отто.

Дизельные циклы теоретически описывают работу двигателей ECOM (двигателей с воспламенением от сжатия). На диаграмме показаны некоторые особенности этого цикла.

Термодинамические процессы двигателей внутреннего сгорания

Общие четырехтактные поршневые двигатели на практике состоят из четырех процессов: впуск, сжатие, расширение и выпуск.

Как в двигателях с искровым зажиганием, так и в дизельных двигателях во время процесса впуска впускной клапан в цилиндре открывается, чтобы впустить воздух (в случае дизельных двигателей). дизельные двигатели) и воздушно-топливные (в двигателях с искровым зажиганием), что происходит при атмосферном давлении (для этого требуется давление внутри цилиндра ниже). Поступление этого объема в цилиндр перемещает поршень к нижней мертвой точке (НМТ) до достижения максимального объема, при котором закрывается впускной клапан.

В процессе сжатия впускной и выпускной клапаны остаются закрытыми, а поршень движется к верхней мертвой точке (ВМТ), сжимая содержимое камеры до достижения объема минимум. В отличие от двигателей с искровым зажиганием, где степень сжатия составляет около чем 11, в цилиндрах дизелей это отношение должно быть выше, примерно 18. Этот более длинный путь позволяет достичь более высоких температур, чтобы гарантировать самовоспламенение топлива в следующем процессе, т.е. воздуха в конце процесса сжатия, должно быть выше отдаваемого при самовоспламенении топлива, чтобы оно могло воспламениться при входе в камеру сжатия. горение.

Для дизельных циклов требуются цилиндры большего размера, чем для бензиновых или газовых двигателей, поэтому оба обычно используются в грузовиках или крупных транспортных средствах, а также в агропромышленность.

Далее следует процесс расширения или рабочего хода, и он начинается, когда поршень достигает верхней мертвой точки. В двигателях с искровым зажиганием сгорание происходит практически мгновенно и происходит через зажигание искры, генерируемой свечой зажигания, которая вызывает сгорание смеси воздуха и топливо. В случае двигателей ECOM процесс происходит немного медленнее, начинаясь, когда поршень находится в ВМТ и форсунки впрыскивают топливо в камеру. При контакте дизельного топлива или газойля с воздухом при высокой температуре эта смесь воспламеняется и толкает поршень к НМТ, расширяя газы сгорания и заставляя коленчатый вал двигателя вращаться. двигатель.

На изображении показан цилиндр двигателя внутреннего сгорания. Вы можете видеть клапана и поршень.

Наконец, происходит открытие выпускного клапана, так что поршень поднимается и вытесняет продукты сгорания, и цикл начинается снова.

В дизельных двигателях свечи зажигания не используются, как в бензиновых двигателях, так как процесс сгорания производится благодаря давлению и температурному режиму в камере сгорания в момент впрыска топливо.

Для упрощения расчетов и термодинамического анализа внутри цилиндров двигателей внутреннего сгорания, делаются некоторые допущения, такие как стандартные соображения по воздуху и то, что процессы обратимый. Благодаря этим предпосылкам циклы Отто и Дизеля развиваются, чтобы сформировать четыре процесса, как показано на следующем рисунке:

Четыре процесса четырехтактных двигателей внутреннего сгорания.

1-2: изоэнтропическое сжатие
2-3: Добавление тепла. В циклах Отто этот процесс предполагается при постоянном объеме (изохора), а в циклах Дизеля он приближается к таковому при постоянном давлении (изобарический).
3-4: изоэнтропическое расширение
4-1: Отвод тепла постоянным объемом (изохоральный)

На схеме слева показаны процессы, происходящие в двигателях с искровым зажиганием. На практике это открытый процесс, требующий забора наружного воздуха и выброса выхлопных газов в окружающую среду. Справа наблюдается упрощение этой модели в виде замкнутого цикла, образованного двумя изоэнтропическими процессами и двумя изохорами.

В дизельном цикле процессы впуска и выпуска заменяются процессами подвода тепла с постоянным давлением и отводом тепла с постоянным объемом. Кроме того, процессы сжатия и расширения предполагаются изоэнтропическими.

Четырехтактные двигатели внутреннего сгорания используются не только в транспортной отрасли. Они также имеют определенные применения на бытовом и промышленном уровне, например, для когенерации и получать электричество (или механическую энергию) и тепло из одного первичного источника, который будет топливом использовал. Однако для целей когенерации более распространены циклы Отто и газовые турбины.

КПД четырехтактных двигателей внутреннего сгорания.

Как и все термодинамические циклы, газовые циклы предлагают меру своей производительности, основанную на тепловом КПД (η_тер), которые показывают зависимость полезной работы wneto от подводимой теплоты qent:

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

Где:
что_соль представляет тепло, отводимое изохорно.

д_соль Он определяется изменением внутренней энергии (u) между состояниями, в которых происходит процесс отвода тепла, то есть состояниями 4 и 1. Эти величины берутся из паровых таблиц, и для того, чтобы найти значения, необходимо знать две части информации о состоянии, например, температуру и давление. Кроме того, требуется применить уравнение состояния (P.v = R.T) и соотношение давлений, объемов или давлений/относительных объемов, возникающее между изоэнтропическими процессами.

В циклах Отто процесс подвода тепла осуществляется при постоянном объеме, поэтому подводимая теплота q_в определяется изменением внутренней энергии между состояниями 2 и 3, т. е. u₃ - или₂:

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

В случае процесса подвода тепла для дизельных циклов предполагается, что это происходит при постоянном давлении, а подводимое тепло q_в, вычисляется по изменению энтальпии (h) между состояниями, в которых происходит этот процесс, то есть между состояниями 3 и 2. С учетом этих соображений КПД цикла Дизеля можно определить с помощью выражения:

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

На этой схеме показаны некоторые различия между циклом Отто и циклом Дизеля. Если бы оба двигателя могли работать с одинаковой степенью сжатия (r), циклы Отто были бы более эффективными, однако на практике дизельные двигатели имеют более высокую степень сжатия.

Степень сжатия (r) и отсечка впуска (r_с)

Эта безразмерная величина является параметром в газовых циклах и выражается как связь между максимальным и минимальным объемами цилиндра:

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

И в циклах Отто, и в циклах Дизеля максимальный объем получается в состояниях 1 или 4. Минимальный объем в цикле Отто возникает в состояниях 2 и 3, а в цикле Дизеля — только в состоянии 2.

Безразмерная константа удельной теплоемкости «k» также определена и представляет собой зависимость, идентифицированную по отношению к переменным удельной теплоемкости при постоянном давлении (C_п) и удельная теплоемкость при постоянном объеме ( C_в):

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

Кроме того, в дизельных циклах используется коэффициент отсечки или закрытие впуска, что рассчитывается путем деления максимального объема на минимальный объем в процессе подвода тепла, т. е. сказать:

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

Эффективность двигателей внутреннего сгорания с использованием предположений о постоянной удельной теплоемкости

Иногда можно предположить, что в газовом цикле он работает при допущении об удельной теплоемкости, которая не зависит от температуры, также называемой холодным воздухом. стандарт (однако на практике, если есть отклонения), и с учетом этого тепловой КПД каждого цикла определяется следующим образом: выражения:

Для цикла Отто

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

На диаграмме слева показан характерный диапазон значений степени сжатия для двигателей с искровым зажиганием. Справа наблюдается изменение эффективности цикла Отто в зависимости от степени сжатия (r) для разных значений k.

Для дизельного цикла

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

Где_в - удельная теплоемкость воздуха при постоянном объеме (С._в = 0,718 кДж/кг. К.), и С._п удельная теплоемкость при постоянном давлении, которая для воздуха в условиях окружающей среды равна C_п = 1,005 кДж/кг. К.

На диаграмме показан типичный диапазон степени сжатия (r) для дизельных двигателей, а также изменение теплового КПД цикла для различных значений передаточных чисел впуска (р_с).