Otto çevrimi ve Dizel çevrimi nedir ve nasıl tanımlanır?

Her ikisi de gerçekleştirilen gaz termodinamik çevrimlerini tanımlamak için kullanılan teorik modelleri oluşturur. kıvılcım ateşlemeli ve kendi kendine tutuşan dört zamanlı içten yanmalı motorlarda gerçekleştirilir sırasıyla.

Otto döngüsü, adını 1876'da Alman mühendis Nikolaus Otto'nun bu döngüyü geliştirmesinden alır. Beau de tarafından 1862'de önerilen modele dayanan kıvılcım ateşlemeli dört zamanlı motor Rochas. Bu motor, iki mekanik döngüde dört termodinamik işlemi yürütür. Dizel çevrimi, 1890 ile 1897 yılları arasında Almanya'da Rudolft Diesel tarafından nakliye şirketi MAN için geliştirildi. daha yüksek performans sunan diğer yakıtlardan buhar motorlarından daha yüksek performansa sahip motorlar üretme niyeti verimlilikler. Bu tasarım o zamandan beri rafine edildi ve örneğin 1927'de BOSH şirketi bir pompa piyasaya sürdü. Dizele göre daha ekonomik olan yakıt tüketimini azaltmaya yardımcı olan enjeksiyon benzin.

Resim, bir Otto döngüsünü tanımlayan en temsili öğelere sahip bir şemayı göstermektedir.

Dizel çevrimleri teorik olarak ECOM motorlarının (sıkıştırma ateşlemeli motorlar) çalışmasını tanımlar. Diyagram, bu döngünün bazı özelliklerini göstermektedir.

İçten yanmalı motorların termodinamik süreçleri

Uygulamada genel, dört zamanlı pistonlu motorlar dört süreçten oluşur: emme, sıkıştırma, genişleme ve egzoz.

Hem buji ateşlemeli motorlarda hem de Dizel motorlarda, emme işlemi sırasında, silindirdeki emme valfi havanın girmesine izin vermek için açılır (dizel motorlarda). Dizel motorlar) ve atmosferik basınçta meydana gelen hava ve yakıt (kıvılcımla ateşlemeli motorlarda) (bunun için silindir içinde bir basınç gereklidir) daha düşük). Bu hacmin silindire girişi, emme valfinin kapandığı maksimum hacme ulaşana kadar pistonu alt ölü noktaya (BDC) doğru hareket ettirir.

Sıkıştırma işlemi sırasında emme ve egzoz valfleri kapalı kalır ve piston hareket eder. üst ölü noktaya (TDC) doğru, hazne içeriğini hacme ulaşana kadar sıkıştırarak minimum. Sıkıştırma oranının yaklaşık olduğu buji ateşlemeli motorların aksine Dizel motorların silindirlerinde bu oranın 11'den yaklaşık olarak daha yüksek olması istenmektedir. 18. Bu daha uzun yol, sonraki süreçte yakıtın kendiliğinden tutuşmasını garanti etmek için daha yüksek sıcaklıklara ulaşılmasını sağlar, yani yakıtın sıcaklığı. sıkıştırma işleminin sonundaki hava, sıkıştırma odasına girerken tutuşabilmesi için yakıtın kendi kendine tutuşmasında verilenden daha yüksek olmalıdır. yanma.

Dizel çevrimleri, benzinli veya gazlı motorlardan daha büyük silindirler gerektirir, bu nedenle her ikisi de genellikle kamyonlarda veya büyük ulaşım araçlarında ve ayrıca tarım endüstrisi

Bunu takip eden süreç, genleşme veya güç darbesidir ve piston üst ölü noktaya ulaştığında başlar. Buji ateşlemeli motorlarda, yanma pratik olarak anlıktır ve buji tarafından üretilen ve hava karışımının yanmasına neden olan bir kıvılcımın tutuşması ve yakıt. ECOM motorlarında, piston TDC'deyken ve enjektörler hazneye yakıt püskürttüğünde başlayan süreç biraz daha yavaştır. Motorin veya gaz yağı yüksek sıcaklıktaki hava ile temas ettiğinde bu karışım tutuşur ve pistonu BDC'ye doğru sürer, yanma gazlarını genişletir ve motor krank milinin dönmesine neden olur. motor.

Resimde içten yanmalı bir motorun silindiri gösterilmektedir. Valfleri ve pistonu görebilirsiniz.

Son olarak, egzoz valfinin açılması vardır, böylece piston yükselir ve yanma gazlarını değiştirir ve döngü yeniden başlar.

Dizel motorlarda, yanma işlemi otomatik olduğu için benzinli motorlarda olduğu gibi bujiler kullanılmaz. enjeksiyon anında yanma odasındaki basınç ve sıcaklık koşulları sayesinde üretilir. yakıt.

Motorların silindirlerinin içindeki hesaplamaları ve termodinamik analizleri basitleştirmek için içten yanma, standart hava hususları gibi bazı varsayımlar yapılır ve prosesler tersine çevrilebilir Bu öncüller aracılığıyla, aşağıdaki resimde gösterildiği gibi dört süreci oluşturmak için Otto ve Diesel çevrimleri geliştirilir:

Dört zamanlı içten yanmalı motorların dört işlemi.

1-2: izantropik sıkıştırma
2-3: Isı eklenmesi. Otto çevrimlerinde, bu işlem sabit hacimde (izokor) varsayılır ve Diesel çevrimlerinde sabit basınçta (izobarik) bire yaklaşır.
3-4: izantropik genişleme
4-1: Sabit Hacimli Isı Reddi (İzokoral)

Soldaki şema, buji ateşlemeli motorlarda meydana gelen süreçleri göstermektedir. Uygulamada, dış havanın alınmasını ve egzoz gazlarının çevreye atılmasını gerektiren açık bir süreçtir. Sağda, bu modelin sadeleştirilmiş hali, iki izentropik süreç ve iki izokordan oluşan kapalı bir döngü olarak görülmektedir.

Dizel çevriminde, emme ve egzoz işlemlerinin yerini sabit basınçlı ısı ekleme ve sabit hacimli ısı atma işlemleri alır. Ayrıca, sıkıştırma ve genleşme işlemlerinin izantropik olduğu varsayılmaktadır.

Dört zamanlı içten yanmalı motorlar sadece ulaşım sektöründe kullanılmıyor. Ayrıca konut ve endüstriyel düzeyde, örneğin kojenerasyon uygulamak için belirli uygulamaları vardır ve yakıt olacak tek bir birincil kaynaktan elektrik (veya mekanik enerji) ve ısı elde etmek kullanılmış. Bununla birlikte, kojenerasyon amaçları için, Otto çevrimleri ve gaz türbinleri daha yaygındır.

Dört zamanlı içten yanmalı motorların verimliliği

Tüm termodinamik çevrimler gibi, gaz çevrimleri de termal verimliliğe (η_ter), net iş wneto bölü ısı girdisi qent arasındaki ilişkiyi gösterir:

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

Nerede:
Ne_tuz izokorik bir şekilde reddedilen ısıyı temsil eder.

q_tuz Isı atma işleminin meydana geldiği durumlar, yani 4 ve 1 durumları arasındaki iç enerjideki (u) değişim ile belirlenir. Bu miktarlar buhar tablolarından alınır ve değerleri bulmak için durum hakkında iki parça bilginin, örneğin sıcaklık ve basıncın bilinmesi gerekir. Ek olarak, durum denklemini (P.v = R.T) ve izentropik süreçler arasında meydana gelen basınçlar, hacimler veya basınçlar/bağıl hacimler ilişkisini uygulamak gerekir.

Otto çevrimlerinde ısı ekleme işlemi sabit hacimde yapılır, bu nedenle giriş ısısı q_içinde 2 ve 3 durumları arasındaki iç enerjideki değişiklik tarafından belirlenir, yani u₃ - veya₂:

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

Dizel çevrimleri için ısı ekleme işlemi durumunda, bunun sabit basınçta olduğu ve giriş ısısının q olduğu varsayılır._içinde, bu sürecin gerçekleştiği durumlar, yani 3 ve 2 durumları arasındaki entalpi değişiminden (h) hesaplanır. Bu düşüncelerle, bir Dizel çevriminin verimliliği aşağıdaki ifade kullanılarak belirlenebilir:

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

Bu şema, Otto çevrimi ile Dizel çevrimi arasındaki bazı farklılıkları göstermektedir. Her iki motor da aynı sıkıştırma oranında (r) çalışabilseydi, Otto çevrimleri daha verimli olurdu, ancak pratikte Dizel motorların sıkıştırma oranları daha yüksektir.

Sıkıştırma oranı (r) ve giriş kesme (r_C)

Bu boyutsuz değer, gaz çevrimlerinde bir parametredir ve silindirin maksimum ve minimum hacimleri üzerinde oluşan bağlantı olarak ifade edilir:

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

Hem Otto hem de Diesel çevrimlerinde, maksimum hacim 1 veya 4 durumlarında elde edilir. Otto döngüsündeki minimum hacim 2 ve 3 durumlarında gerçekleşir, ancak Diesel'de yalnızca 2 durumunda gerçekleşir.

Özgül ısıların boyutsuz sabiti "k" de tanımlanır ve sabit basınçta (C) özgül ısı değişkenlerine göre tanımlanan ilişkiyi temsil eder._P) ve sabit hacimde özgül ısı (C_v):

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

Ek olarak, Dizel çevrimlerinde kesme oranı veya giriş kapatması kullanılır; ısı ekleme işlemi sırasında maksimum hacmin minimum hacme bölünmesiyle hesaplanır, yani söylemek:

\({r_c} = {\left( {\frac{{{V_{maks}}}}{{{V_{min}}}}} \sağ) n\;of\;ısı} } = \frac{ {{V_3}}}{{{V_2}}} = \frac{{{v_3}}}{{{v_2}}}\)

Sabit Özgül Isı Varsayımlarını Kullanan İçten Yanmalı Motorların Verimliliği

Bir gaz çevriminde, bazen soğuk hava olarak da adlandırılan, sıcaklıkla değişmeyen belirli ısı varsayımları altında çalıştığı varsayılabilir. standart, (ancak pratikte varyasyon varsa) ve bu değerlendirme altında, her çevrimin ısıl verimi aşağıdakilerle belirlenir. ifade:

Otto döngüsü için

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

Soldaki diyagram, buji ateşlemeli motorlar için sıkıştırma oranı için karakteristik değer aralığını göstermektedir. Sağda, farklı k değerleri için bir Otto çevriminin verimliliğindeki değişiklik, sıkıştırma oranının (r) bir fonksiyonu olarak gözlenir.

Dizel çevrimi için

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

Nerede_v sabit hacimde havanın özgül ısısıdır (C._v = 0,718kJ/kg. K.), ve C._P ortam koşullarında hava için C olan sabit basınçtaki özgül ısı_P = 1,005kJ/kg. K.

Diyagram, Dizel motorlar için tipik sıkıştırma oranı (r) aralığını ve ayrıca emme kesme oranlarının farklı değerleri için döngünün termal veriminin değişimi (R_C).