Čo je Ottov cyklus a Dieselov cyklus a ako sú definované?

Obidva predstavujú teoretické modely, ktoré sa používajú na opis uskutočňovaných termodynamických cyklov plynu. vykonávané v štvortaktných spaľovacích motoroch so zážihovým zapaľovaním a samovznietením resp.

Ottov cyklus vďačí za svoj názov skutočnosti, že to bol nemecký inžinier Nikolaus Otto, ktorý ho v roku 1876 vyvinul. zážihový štvortaktný motor, vychádzajúci z modelu navrhnutého v roku 1862 Beau de Rochas. Tento motor vykonáva štyri termodynamické procesy v dvoch mechanických cykloch. Dieselov cyklus vyvinul v rokoch 1890 až 1897 Rudolft Diesel v Nemecku pre dopravnú spoločnosť MAN. zámer vyrábať motory s vyšším výkonom ako parné stroje z iných palív, ktoré ponúkajú vyšší efektívnosti. Tento výtvor sa odvtedy zdokonaľoval a napríklad v roku 1927 spoločnosť BOSH uviedla na trh čerpadlo vstrekovanie pre naftu, ktoré prispelo k zníženiu spotreby paliva, čo je hospodárnejšie ako u benzín.

Na obrázku je schéma s najreprezentatívnejšími prvkami, ktoré opisujú Ottov cyklus

Dieselové cykly teoreticky popisujú činnosť motorov ECOM (vznetové motory). Diagram ukazuje niektoré vlastnosti tohto cyklu.

Termodynamické procesy spaľovacích motorov

Všeobecné, štvortaktné piestové motory v praxi pozostávajú zo štyroch procesov: nasávanie, kompresia, expanzia a výfuk.

V zážihových aj naftových motoroch sa počas procesu nasávania otvorí sací ventil vo valci, aby mohol vniknúť vzduch (v prípade dieselových motorov). Dieselové motory) a vzduch a palivo (v zážihových motoroch), ktoré sa vyskytujú pri atmosférickom tlaku (na to je potrebný tlak vo valci nižšie). Vstup tohto objemu do valca posúva piest smerom k dolnej úvrati (BDC), až kým nedosiahne maximálny objem, pri ktorom sa zatvorí sací ventil.

Počas procesu kompresie zostávajú sacie a výfukové ventily zatvorené a piest sa pohybuje smerom k hornému mŕtvemu bodu (TDC), čím sa stlačí obsah komory, kým nedosiahne objem minimálne. Na rozdiel od zážihových motorov, kde je kompresný pomer okolo ako 11, vo valcoch dieselových motorov sa požaduje, aby bol tento pomer vyšší, približne 18. Táto dlhšia dráha umožňuje dosiahnuť vyššie teploty, aby sa zaručilo samovznietenie paliva v nasledujúcom procese, tj teplota vzduchu na konci kompresného procesu, musí byť vyššia ako pri samovznietení paliva, aby sa mohlo vznietiť pri vstupe do kompresnej komory. spaľovanie.

Dieselové cykly vyžadujú väčšie valce ako benzínové alebo plynové motory, takže oba sa bežne používajú v nákladných autách alebo veľkých dopravných prostriedkoch, ako aj v agropriemysel.

Nasleduje proces expanzie alebo silového zdvihu a začína, keď piest dosiahne hornú úvrať. V zážihových motoroch je spaľovanie prakticky okamžité a prebieha cez zapálenie iskry generovanej zapaľovacou sviečkou, ktorá spôsobí spálenie zmesi vzduchu a palivo. V prípade motorov ECOM je proces o niečo pomalší, začína, keď je piest v TDC a vstrekovače rozprašujú palivo do komory. Keď sa nafta alebo plynový olej dostane pri vysokej teplote do kontaktu so vzduchom, táto zmes sa zapáli a poháňa piest smerom k BDC, pričom rozširuje spaľovacie plyny a spôsobuje otáčanie kľukového hriadeľa motora. motora.

Na obrázku je valec spaľovacieho motora. Môžete vidieť ventily a piest.

Nakoniec dôjde k otvoreniu výfukového ventilu, aby sa piest zdvihol a vytlačil spaliny a cyklus sa začína odznova.

V dieselových motoroch sa nepoužívajú zapaľovacie sviečky ako v benzínových motoroch, pretože je to proces spaľovania vzniká vďaka tlakovým a teplotným podmienkam v spaľovacej komore v momente vstrekovania palivo.

Aby sa zjednodušili výpočty a termodynamická analýza vo valcoch motorov vnútorné spaľovanie, sú urobené niektoré predpoklady, ako sú štandardné úvahy o vzduchu a že procesy sú reverzibilné. Prostredníctvom týchto priestorov sa vyvíjajú Ottov a Dieselov cyklus, aby vytvorili štyri procesy, ako je znázornené na nasledujúcom obrázku:

Štyri procesy štvortaktných spaľovacích motorov.

1-2: izoentropická kompresia
2-3: Pridávanie tepla. V Ottových cykloch sa tento proces predpokladá pri konštantnom objeme (izochóra) a v Dieselových cykloch sa približuje k jednému pri konštantnom tlaku (izobarický).
3-4: izoentropická expanzia
4-1: Odmietanie tepla s konštantným objemom (izochorálne)

Diagram vľavo ukazuje procesy, ktoré prebiehajú v zážihových motoroch. V praxi ide o otvorený proces, ktorý vyžaduje nasávanie vonkajšieho vzduchu a vytláčanie výfukových plynov do okolia. Vpravo je zjednodušenie tohto modelu pozorované ako uzavretý cyklus tvorený dvoma izoentropickými procesmi a dvoma izochórami.

V Dieselovom cykle sú sacie a výfukové procesy nahradené procesmi pridávania tepla s konštantným tlakom a konštantného odvádzania tepla. Ďalej sa predpokladá, že procesy kompresie a expanzie sú izoentropické.

Štvortaktné spaľovacie motory sa nepoužívajú len v dopravnom priemysle. Majú tiež určité aplikácie na rezidenčnej a priemyselnej úrovni, napríklad na aplikáciu kogenerácie a získavať elektrinu (alebo mechanickú energiu) a teplo z jediného primárneho zdroja, ktorým by bolo palivo použité. Pre účely kogenerácie sú však bežnejšie Ottove cykly a plynové turbíny.

Účinnosť štvortaktných spaľovacích motorov

Ako všetky termodynamické cykly, aj plynové cykly ponúkajú mieru ich výkonu na základe tepelnej účinnosti (η_ter), ktoré ukazujú vzťah medzi čistou prácou wneto delenou tepelným príkonom qent:

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

Kde:
čo_soľ predstavuje teplo odvádzané izochorickým spôsobom.

q_soľ Je určená zmenou vnútornej energie (u) medzi stavmi, v ktorých dochádza k procesu odoberania tepla, teda stavmi 4 a 1. Tieto veličiny sú prevzaté z tabuliek pary a na nájdenie hodnôt je potrebné poznať dva údaje o stave, napríklad teplotu a tlak. Okrem toho je potrebné použiť stavovú rovnicu (P.v = R.T) a vzťah tlakov, objemov alebo tlakov/relatívnych objemov, ku ktorým dochádza medzi izoentropickými procesmi.

V Ottových cykloch sa proces pridávania tepla uskutočňuje pri konštantnom objeme, preto je vstupné teplo q_v je určená zmenou vnútornej energie medzi stavmi 2 a 3, teda u₃ - alebo₂:

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

V prípade procesu pridávania tepla pre dieselové cykly sa predpokladá, že je to pri konštantnom tlaku a vstupné teplo q_v, sa vypočíta zo zmeny entalpie (h) medzi stavmi, kde tento proces prebieha, teda medzi stavmi 3 a 2. S týmito úvahami možno účinnosť dieselového cyklu určiť pomocou výrazu:

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

Táto schéma ukazuje niektoré rozdiely medzi Ottovým cyklom a Dieselovým cyklom. Ak by oba motory mohli pracovať pri rovnakom kompresnom pomere (r), Ottov cykly by boli efektívnejšie, avšak v praxi majú dieselové motory vyššie kompresné pomery.

Kompresný pomer (r) a obmedzenie nasávania (r_c)

Táto bezrozmerná hodnota je parametrom v plynových cykloch a je vyjadrená ako spojenie, ktoré sa vyskytuje pri maximálnom a minimálnom objeme valca:

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

V Ottov aj Dieselovom cykle sa maximálny objem dosiahne v stave 1 alebo 4. Minimálny objem v Ottovom cykle sa vyskytuje v stave 2 a 3, ale v Diesel sa vyskytuje iba v stave 2.

Definuje sa aj bezrozmerná konštanta špecifických teplôt „k“ a predstavuje vzťah identifikovaný vzhľadom na premenné merného tepla pri konštantnom tlaku (C_p) a špecifické teplo pri konštantnom objeme (C_v):

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

Okrem toho sa v dieselových cykloch používa medzný pomer alebo uzáver nasávania, čo je vypočítané vydelením maximálneho objemu minimálnym objemom počas procesu pridávania tepla, tj povedať:

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

Účinnosť spaľovacích motorov s využitím konštantných špecifických tepelných predpokladov

V plynovom cykle možno niekedy predpokladať, že pracuje za predpokladu špecifických teplôt, ktoré sa nelíšia s teplotou, nazývané aj studený vzduch. štandard (avšak v praxi, ak existuje odchýlka), a na základe tohto uváženia sa tepelná účinnosť každého cyklu určuje s nasledujúcim výrazy:

Pre Ottov cyklus

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

Diagram vľavo zobrazuje charakteristický rozsah hodnôt kompresného pomeru pre zážihové motory. Vpravo je pozorovaná zmena účinnosti Ottovho cyklu ako funkcia kompresného pomeru (r) pre rôzne hodnoty k.

Pre dieselový cyklus

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

Kde_v je špecifické teplo vzduchu pri konštantnom objeme (C._v = 0,718 kJ/kg. K.), a C._p špecifické teplo pri konštantnom tlaku, ktoré je pre vzduch pri okolitých podmienkach C_p = 1,005 kJ/kg. K.

Diagram ukazuje typický rozsah kompresného pomeru (r) pre dieselové motory, ako aj pre zmena tepelnej účinnosti cyklu pre rôzne hodnoty pomerov rezu nasávania (r_c).