Kaj je Otto cikel in Diesel cikel in kako sta opredeljena?

Oba predstavljata teoretična modela, ki se uporabljata za opis plinskih termodinamičnih ciklov, ki se izvajajo. izvajajo se pri štiritaktnih motorjih z notranjim zgorevanjem na prisilni vžig in samovžig oz.

Ottov cikel dolguje svoje ime dejstvu, da ga je leta 1876 razvil nemški inženir Nikolaus Otto. štiritaktni motor na prisilni vžig, ki temelji na modelu, ki ga je leta 1862 predlagal Beau de Rochas. Ta motor izvaja štiri termodinamične procese v dveh mehanskih ciklih. Dieselov cikel pa je med letoma 1890 in 1897 razvil Rudolft Diesel v Nemčiji za transportno podjetje MAN, z namen izdelave motorjev z večjo zmogljivostjo kot parni stroji iz drugih goriv, ​​ki nudijo večjo učinkovitosti. Ta kreacija se je od takrat izpopolnjevala in na primer leta 1927 je podjetje BOSH lansiralo črpalko vbrizg za Diesel, ki je pomagal zmanjšati porabo goriva, ki je varčnejši od bencin.

Slika prikazuje shemo z najbolj reprezentativnimi elementi, ki opisujejo Ottov cikel

Dizelski cikli teoretično opisujejo delovanje motorjev ECOM (motorji na kompresijski vžig). Diagram prikazuje nekatere značilnosti tega cikla.

Termodinamični procesi motorjev z notranjim zgorevanjem

Splošni štiritaktni batni motorji so v praksi sestavljeni iz štirih procesov: sesanja, kompresije, ekspanzije in izpuha.

Tako pri motorjih na prisilni vžig kot pri dizelskih motorjih se med postopkom sesanja sesalni ventil odpre v valju, da omogoči vstop zraka (v primeru dizelskih motorjev). Dizelski motorji) ter zrak in gorivo (v motorjih na prisilni vžig), ki nastane pri atmosferskem tlaku (za to je potreben tlak v cilindru nižje). Vstop te prostornine v valj premakne bat proti spodnji mrtvi točki (BDC), dokler ne doseže največje prostornine, kjer se sesalni ventil zapre.

Med postopkom stiskanja ostaneta sesalni in izpušni ventil zaprta, bat pa se premika proti zgornji mrtvi točki (TDC) in stisne vsebino komore, dokler ne doseže prostornine najmanj. Za razliko od motorjev na prisilni vžig, kjer je kompresijsko razmerje okoli kot 11, mora biti v valjih dizelskih motorjev to razmerje višje, pribl. 18. Ta daljša pot omogoča doseganje višjih temperatur, da se zagotovi samovžig goriva v naslednjem procesu, to je temperatura zraka na koncu kompresijskega procesa mora biti višja od tiste, ki je podana pri samovžigu goriva, da se lahko vname, ko vstopi v kompresijsko komoro. zgorevanje.

Dizelski cikli zahtevajo večje valje kot bencinski ali plinski motorji, torej oba se običajno uporabljata v tovornjakih ali velikih prevoznih sredstvih, pa tudi v agroindustrija.

Postopek, ki sledi, je ekspanzijski ali močni udarec in se začne, ko bat doseže zgornjo mrtvo točko. Pri motorjih na prisilni vžig je izgorevanje praktično takojšnje in poteka skozi vžig iskre, ki jo ustvari vžigalna svečka, kar povzroči zgorevanje mešanice zraka in goriva. Pri motorjih ECOM je proces nekoliko počasnejši, začne se, ko je bat v TDC in injektorji brizgajo gorivo v komoro. Ko dizelsko gorivo ali plinsko olje pride v stik z zrakom pri visoki temperaturi, se ta zmes vname in poganja bat proti BDC, pri čemer širi izgorevalne pline in povzroči vrtenje ročične gredi motorja. motor.

Slika prikazuje cilinder motorja z notranjim zgorevanjem. Vidite lahko ventile in bat.

Nazadnje se odpre izpušni ventil, tako da se bat dvigne in izpodrine izgorevalne pline in cikel se začne znova.

Pri dizelskih motorjih se vžigalne svečke ne uporabljajo kot pri bencinskih motorjih, saj je proces zgorevanja nastane zaradi tlaka in temperature v zgorevalni komori v trenutku vbrizgavanja goriva.

Da bi poenostavili izračune in termodinamične analize v notranjosti valjev motorjev notranje zgorevanje, so narejene nekatere predpostavke, kot so standardni premisleki o zraku in da so procesi reverzibilen. Skozi te premise se razvijeta Otto in Diesel cikel, ki tvorita štiri procese, kot je prikazano na naslednji sliki:

Štirje procesi štiritaktnih motorjev z notranjim zgorevanjem.

1-2: izentropska kompresija
2-3: Dodatek toplote. V Ottovih ciklih se ta proces predpostavlja pri konstantnem volumnu (izohora), v Dieselovih ciklih pa se približuje enoti pri konstantnem tlaku (izobarični).
3-4: izentropska ekspanzija
4-1: Zavračanje toplote s konstantnim volumnom (izohoralno)

Diagram na levi prikazuje procese, ki potekajo v motorjih na prisilni vžig. V praksi gre za odprt proces, ki zahteva zajem zunanjega zraka in odvod izpušnih plinov v okolje. Na desni je poenostavitev tega modela opazovana kot zaprt cikel, ki ga tvorita dva izentropska procesa in dve izohori.

V dizelskem ciklu sta sesalni in izpušni proces nadomeščena s procesoma dodajanja toplote pri stalnem tlaku in odvajanju toplote pri stalnem volumnu. Poleg tega se predpostavlja, da sta procesa stiskanja in raztezanja izentropska.

Štiritaktni motorji z notranjim zgorevanjem se ne uporabljajo samo v transportni industriji. Imajo tudi določene aplikacije na stanovanjski in industrijski ravni, na primer za uporabo soproizvodnje in pridobivanje električne energije (ali mehanske energije) in toplote iz enega samega primarnega vira, ki bi bilo gorivo rabljeno. Vendar pa so za namene soproizvodnje pogostejši Ottovi cikli in plinske turbine.

Učinkovitost štiritaktnih motorjev z notranjim zgorevanjem

Tako kot vsi termodinamični cikli tudi plinski cikli ponujajo merilo njihove učinkovitosti na podlagi toplotne učinkovitosti (η_ter), ki prikazuje razmerje med neto delom wneto, deljeno z dovedeno toploto qent:

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

Kje:
kaj_sol predstavlja toploto, zavrnjeno na izohorni način.

q_sol Določena je s spremembo notranje energije (u) med stanji, v katerih poteka proces odvajanja toplote, to sta stanji 4 in 1. Te količine so vzete iz parnih tabel in za lociranje vrednosti je potrebno poznati dva podatka o stanju, na primer temperaturo in tlak. Poleg tega je treba uporabiti enačbo stanja (P.v = R.T) in razmerje tlakov, volumnov ali tlakov/relativnih volumnov, ki se pojavi med izentropskimi procesi.

V Ottovih ciklih se postopek dodajanja toplote izvaja pri konstantnem volumnu, zato je vhodna toplota q_v je določena s spremembo notranje energije med stanjema 2 in 3, to je u₃ - ali₂:

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

V primeru postopka dodajanja toplote za dizelske cikle se predpostavlja, da je ta pri konstantnem tlaku, vhodna toplota pa q_v, se izračuna iz spremembe entalpije (h) med stanji, kjer ta proces poteka, to je med stanji 3 in 2. S temi premisleki je mogoče učinkovitost dizelskega cikla določiti z izrazom:

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

Ta shema prikazuje nekatere razlike med Ottovim ciklom in Dieselovim ciklom. Če bi lahko oba motorja delovala pri enakem kompresijskem razmerju (r), bi bili Ottovi cikli učinkovitejši, vendar imajo v praksi dizelski motorji višja kompresijska razmerja.

Kompresijsko razmerje (r) in omejitev sesanja (r_c)

Ta brezdimenzijska vrednost je parameter v plinskih ciklih in je izražena kot povezava, ki se pojavi pri največji in najmanjši prostornini jeklenke:

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

V Ottovem in Dieselovem ciklu je največja prostornina dosežena v stanjih 1 ali 4. Najmanjša prostornina v Ottovem ciklu se pojavi v stanjih 2 in 3, pri dizelskem motorju pa le v stanju 2.

Definirana je tudi brezdimenzijska konstanta specifične toplote "k" in predstavlja razmerje, ugotovljeno glede na spremenljivke specifične toplote pri konstantnem tlaku (C_str) in specifično toploto pri stalni prostornini (C_v):

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

Poleg tega se v dizelskih ciklih uporablja izklopno razmerje ali zaprtje dovoda, kar je izračunano tako, da se največja prostornina deli z najmanjšo prostornino med postopkom dodajanja toplote, tj reci:

\({r_c} = {\levo( {\frac{{{V_{max}}}}{{{V_{min}}}}} \desno) n\;toplote} } = \frac{ {{V_3}}}{{{V_2}}} = \frac{{{v_3}}}{{{v_2}}}\)

Učinkovitost motorjev z notranjim zgorevanjem, ki uporabljajo predpostavke o konstantni specifični toploti

V plinskem ciklu lahko včasih domnevamo, da deluje pod predpostavkami specifičnih toplot, ki se ne spreminjajo s temperaturo, imenovane tudi hladen zrak. standard (vendar v praksi, če obstajajo razlike), in glede na to se toplotna učinkovitost vsakega cikla določi z naslednjim izrazi:

Za Ottov cikel

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

Diagram na levi prikazuje značilno območje vrednosti za kompresijsko razmerje za motorje na prisilni vžig. Na desni je opazovana sprememba učinkovitosti Ottovega cikla kot funkcija kompresijskega razmerja (r) za različne vrednosti k.

Za dizelski cikel

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

Kje_v je specifična toplota zraka pri stalni prostornini (C._v = 0,718kJ/kg. K.), in C._str specifična toplota pri konstantnem tlaku, ki je za zrak pri sobnih pogojih C_str = 1,005 kJ/kg. K.

Diagram prikazuje tipično območje kompresijskega razmerja (r) za dizelske motorje, kot tudi sprememba toplotne učinkovitosti cikla za različne vrednosti razmerij rezanja vnosa (r_c).