Vad är Otto-cykeln och Dieselcykeln, och hur definieras de?

Båda utgör de teoretiska modellerna som används för att beskriva de gastermodynamiska cykler som genomförs. utförs i fyrtaktsförbränningsmotorer med gnisttändning och självtändning respektive.

Otto-cykeln har sitt namn till det faktum att det var den tyske ingenjören Nikolaus Otto som 1876 utvecklade denna fyrtaktsmotor med gnisttändning, baserad på den modell som föreslogs 1862 av Beau de Rochas. Denna motor utför fyra termodynamiska processer i två mekaniska cykler. Dieselcykeln utvecklades för sin del mellan 1890 och 1897 av Rudolft Diesel i Tyskland för transportföretaget MAN, med avsikt att tillverka motorer med högre prestanda än ångmotorer från andra bränslen som erbjuder högre effektivitetsvinster. Denna skapelse har förfinats sedan dess, och till exempel 1927 lanserade BOSH-företaget en pump insprutning för diesel som hjälpte till att minska bränsleförbrukningen, vilket är mer ekonomiskt än bensin.

Bilden visar ett schema med de mest representativa elementen som beskriver en Otto-cykel

Dieselcykler beskriver teoretiskt driften av ECOM-motorer (motorer med kompressionständning). Diagrammet visar några funktioner i denna cykel.

Termodynamiska processer för förbränningsmotorer

De allmänna fyrtaktsmotorerna består i praktiken av fyra processer: insug, kompression, expansion och avgas.

I både gnisttändningsmotorer och dieselmotorer, under insugningsprocessen, öppnas insugningsventilen i cylindern för att tillåta luft att komma in (i fallet med dieselmotorer). Dieselmotorer) och luft och bränsle (i gnisttändningsmotorer), som sker vid atmosfärstryck (för detta krävs ett tryck inuti cylindern lägre). Inmatningen av denna volym i cylindern flyttar kolven mot det nedre dödläget (BDC) tills den når den maximala volymen där insugningsventilen stänger.

Under kompressionsprocessen förblir insugnings- och avgasventilerna stängda och kolven rör sig mot den övre dödpunkten (TDC), komprimera innehållet i kammaren tills du når volymen minimum. Till skillnad från gnisttändningsmotorer, där kompressionsförhållandet är runt än 11, i dieselmotorers cylindrar måste detta förhållande vara högre, ungefär 18. Denna längre väg gör att högre temperaturer kan nås för att garantera självantändning av bränslet i följande process, det vill säga temperaturen på luft i slutet av kompressionsprocessen, måste vara högre än vad som ges vid självantändning av bränslet så att det kan antändas när det kommer in i kompressionskammaren. förbränning.

Dieselcykler kräver större cylindrar än bensin- eller gasmotorer, så båda används ofta i lastbilar eller stora transportmedel samt i jordbruksindustrin.

Processen som följer är den för expansion eller kraftslag, och den börjar när kolven når den övre dödpunkten. I gnisttändningsmotorer är förbränningen praktiskt taget omedelbar och sker genom antändning av en gnista som genereras av tändstiftet, vilket orsakar förbränning av blandningen av luft och bränsle. När det gäller ECOM-motorer är processen något långsammare, den börjar när kolven är vid TDC och insprutarna sprutar bränsle in i kammaren. När diesel eller gasolja kommer i kontakt med luft vid hög temperatur, antänds denna blandning och driver kolven mot BDC, expanderar förbränningsgaserna och får motorns vevaxel att rotera. motor.

Bilden visar en cylinder i en förbränningsmotor. Du kan se ventilerna och kolven.

Slutligen finns det öppning av avgasventilen så att kolven stiger och förskjuter förbränningsgaserna och cykeln börjar igen.

I dieselmotorer används inte tändstift som i bensinmotorer, eftersom förbränningsprocessen är produceras tack vare tryck- och temperaturförhållandena i förbränningskammaren vid insprutningsögonblicket bränsle.

För att förenkla beräkningar och termodynamisk analys inuti cylindrarna i motorerna förbränning görs vissa antaganden, såsom standard luftöverväganden och att processerna är reversibel. Genom dessa lokaler utvecklas Otto- och Diesel-cyklerna för att bilda de fyra processerna, som visas i följande bild:

De fyra processerna för fyrtaktsförbränningsmotorer.

1-2: isentropisk kompression
2-3: Tillsats av värme. I Otto-cykler antas denna process vid konstant volym (isokor) och i dieselcykler närmar den sig en vid konstant tryck (isobar).
3-4: isentropisk expansion
4-1: Konstant volym värmeavstötning (isokoral)

Diagrammet till vänster visar de processer som äger rum i gnisttändningsmotorer. I praktiken är det en öppen process som kräver intag av utomhusluft och utdrivning av avgaser till miljön. Till höger observeras förenklingen av denna modell som en sluten cykel som bildas av två isentropiska processer och två isokorer.

I dieselcykeln ersätts insugs- och avgasprocesserna med de med konstant tryckvärmetillsats och konstant volym värmeavvisning. Vidare antas kompressions- och expansionsprocesserna vara isentropiska.

Fyrtaktsförbränningsmotorer används inte bara inom transportindustrin. De har även vissa tillämpningar på bostads- och industrinivå, till exempel att tillämpa kraftvärme, och få elektricitet (eller mekanisk energi) och värme från en enda primär källa, som skulle vara bränslet Begagnade. Men för kraftvärme är Otto-cykler och gasturbiner vanligare.

Verkningsgrad hos fyrtaktsförbränningsmotorer

Liksom alla termodynamiska cykler erbjuder gascykler ett mått på deras prestanda baserat på termisk effektivitet (η_ter), som visar förhållandet mellan nettoarbetet wneto dividerat med värmetillförseln:

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

Var:
Vad_salt representerar värmen som avvisas på ett isokoriskt sätt.

den q_salt Det bestäms av förändringen i intern energi (u) mellan tillstånden där värmeavvisningsprocessen sker, det vill säga tillstånd 4 och 1. Dessa kvantiteter tas från ångtabellerna, och för att lokalisera värdena är det nödvändigt att känna till två delar av information om tillståndet, till exempel temperaturen och trycket. Dessutom är det nödvändigt att tillämpa tillståndsekvationen (P.v = R.T), och förhållandet mellan tryck, volymer eller tryck/relativa volymer som uppstår mellan isentropiska processer.

I Otto-cykler utförs värmetillförselprocessen vid konstant volym, därför ingående värme q_i bestäms av förändringen i intern energi mellan tillstånd 2 och 3, det vill säga u₃ - eller₂:

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

I fallet med värmetillförselprocessen för dieselcykler antas denna vara vid konstant tryck, och ingående värme q_i, beräknas från entalpiändringen (h) mellan tillstånden där denna process äger rum, det vill säga mellan tillstånd 3 och 2. Med dessa överväganden kan effektiviteten för en dieselcykel bestämmas med hjälp av uttrycket:

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

Detta schema visar vissa skillnader mellan Otto-cykeln och Dieselcykeln. Om båda motorerna kunde arbeta med samma kompressionsförhållande (r), skulle Otto-cyklerna vara mer effektiva, men i praktiken har dieselmotorer högre kompressionsförhållanden.

Kompressionsförhållandet (r) och insugningsgränsen (r_c)

Detta dimensionslösa värde är en parameter i gascykler och uttrycks som länken som uppstår över cylinderns maximala och minsta volym:

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

I både Otto- och Diesel-cyklerna erhålls den maximala volymen i tillstånd 1 eller 4. Minimivolymen i Otto-cykeln förekommer i tillstånd 2 och 3, men i diesel förekommer den endast i tillstånd 2.

Den dimensionslösa konstanten för specifik värme "k" definieras också och representerar förhållandet identifierat med avseende på variablerna för specifik värme vid konstant tryck (C_sid) och specifik värme vid konstant volym (C_v):

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

I dieselcykler används dessutom cutoff-förhållandet eller insugsstängningen, vilket är beräknas genom att dividera den maximala volymen med den minsta volymen under värmetillsatsen, dvs säga:

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

Verkningsgraden hos förbränningsmotorer som använder konstant specifika värmeantaganden

I en gascykel kan den ibland antas arbeta under antaganden om specifika värmer som inte varierar med temperaturen, även kallad kall luft. standard, (dock i praktiken om det finns variation), och under detta övervägande bestäms den termiska effektiviteten för varje cykel med följande uttryck:

För Otto-cykeln

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

Diagrammet till vänster visar det karakteristiska värdeintervallet för kompressionsförhållandet för gnisttändningsmotorer. Till höger observeras variationen av effektiviteten för en Otto-cykel som en funktion av kompressionsförhållandet (r), för olika värden på k.

För dieselcykeln

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

Var_v är luftens specifika värme vid konstant volym (C._v = 0,718 kJ/kg. K.), och C._sid den specifika värmen vid konstant tryck, som för luft vid omgivningsförhållanden är C_sid = 1,005 kJ/kg. K.

Diagrammet visar det typiska kompressionsförhållandet (r) för dieselmotorer, såväl som variation av den termiska effektiviteten för cykeln för olika värden på insugningsförhållande (r_c).