Що таке цикл Отто і цикл Дизеля, і як вони визначаються?

Обидва являють собою теоретичні моделі, які використовуються для опису термодинамічних циклів газу, які здійснюються. здійснюється в чотиритактних двигунах внутрішнього згоряння з іскровим запалюванням і самозайманням відповідно.

Своєю назвою цикл Отто зобов’язаний тому факту, що його розробив німецький інженер Ніколаус Отто в 1876 році. чотиритактний двигун з іскровим запалюванням, заснований на моделі, запропонованій в 1862 році Бо де Рохас. Цей двигун виконує чотири термодинамічні процеси в двох механічних циклах. Зі свого боку, дизельний цикл був розроблений між 1890 і 1897 роками Рудольфтом Дізелем у Німеччині для транспортної компанії MAN, з намір виробляти двигуни з більшою продуктивністю, ніж парові двигуни, з іншого палива, яке пропонує вищу ефективності. З тих пір це творіння вдосконалювалося, і, наприклад, в 1927 році компанія BOSH випустила насос впорскування для дизеля, що допомогло зменшити витрату палива, що економічніше, ніж у бензин.

На зображенні показано схему з найбільш типовими елементами, які описують цикл Отто

Дизельні цикли теоретично описують роботу двигунів ECOM (двигуни із запалюванням від стиснення). На схемі показано деякі особливості цього циклу.

Термодинамічні процеси двигунів внутрішнього згоряння

Звичайні чотиритактні поршневі двигуни на практиці складаються з чотирьох процесів: впуску, стиснення, розширення та випуску.

Як у двигунах з іскровим запалюванням, так і в дизельних двигунах під час процесу впуску впускний клапан відкривається в циліндрі, щоб забезпечити доступ повітря (у випадку дизельних двигунів). дизельних двигунів) і повітряно-паливного (в двигунах з іскровим запалюванням), що виникає при атмосферному тиску (для цього потрібен тиск усередині циліндра). нижче). Надходження цього об’єму в циліндр переміщує поршень до нижньої мертвої точки (НМТ) до досягнення максимального об’єму, де закривається впускний клапан.

Під час процесу стиснення впускний і випускний клапани залишаються закритими, а поршень рухається до верхньої мертвої точки (ВМТ), стискаючи вміст камери до досягнення об’єму мінімум. На відміну від двигунів з іскровим запалюванням, де ступінь стиснення близько ніж 11, в циліндрах дизельних двигунів цей коефіцієнт повинен бути вище, приблизно 18. Цей довший шлях дозволяє досягти вищих температур, щоб гарантувати самозаймання палива в наступному процесі, тобто температура повітря наприкінці процесу стиснення має бути вищим за той, який дається при самозайманні палива, щоб воно могло спалахнути під час входу в камеру стиснення. горіння.

Тому для дизельних двигунів потрібні більші циліндри, ніж для бензинових або газових двигунів обидва зазвичай використовуються у вантажівках або великих транспортних засобах, а також у агропромисловість.

Наступний процес — це процес розширення або силовий хід, і він починається, коли поршень досягає верхньої мертвої точки. У двигунах з іскровим запалюванням згоряння є практично миттєвим і відбувається через запалювання іскри, створюваної свічкою запалювання, яка викликає згоряння суміші повітря та пальне. У випадку двигунів ECOM процес відбувається трохи повільніше, починаючи, коли поршень знаходиться у ВМТ, а форсунки розбризкують паливо в камеру. Коли дизельне паливо або газойль контактує з повітрям при високій температурі, ця суміш запалюється і рухає поршень до НМТ, розширюючи гази згоряння та змушуючи колінчастий вал двигуна обертатися. двигун.

На зображенні зображено циліндр двигуна внутрішнього згоряння. Ви можете побачити клапани та поршень.

Нарешті, відкривається випускний клапан, так що поршень піднімається і витісняє гази згоряння, і цикл починається знову.

У дизельних двигунах свічки запалювання не використовуються, як у бензинових, оскільки процес згоряння утворюється завдяки умовам тиску та температури в камері згоряння в момент впорскування пальне.

Для спрощення розрахунків і термодинамічного аналізу всередині циліндрів двигунів внутрішнього згоряння, зроблені деякі припущення, такі як стандартні міркування повітря та те, що процеси є оборотний. Через ці передумови розвиваються цикли Отто та Дизеля, щоб сформувати чотири процеси, як показано на наступному зображенні:

Чотири процеси чотиритактних двигунів внутрішнього згоряння.

1-2: ізентропічне стиснення
2-3: Додавання тепла. У циклах Отто цей процес передбачається при постійному об’ємі (ізохора), а в циклах Дизеля він наближається до такого при постійному тиску (ізобарний).
3-4: ізентропічне розширення
4-1: відведення тепла постійного об’єму (ізохоральний)

На схемі зліва показано процеси, що відбуваються в двигунах з іскровим запалюванням. На практиці це відкритий процес, який вимагає забору зовнішнього повітря та видалення вихлопних газів у навколишнє середовище. Справа спрощення цієї моделі видно як замкнутий цикл, утворений двома ізентропічними процесами та двома ізохорами.

У дизельному циклі процеси впуску та вихлопу замінюються процесами додавання тепла під постійним тиском і відведення тепла постійного об’єму. Крім того, процеси стиснення та розширення вважаються ізентропічними.

Чотиритактні двигуни внутрішнього згоряння використовуються не тільки в транспортній галузі. Вони також мають певне застосування на побутовому та промисловому рівні, наприклад, для застосування когенерації та отримувати електроенергію (або механічну енергію) і тепло з єдиного первинного джерела, яким буде паливо використовується. Однак для цілей когенерації більш поширеними є цикли Отто та газові турбіни.

ККД чотиритактних двигунів внутрішнього згоряння

Як і всі термодинамічні цикли, газові цикли пропонують міру їх продуктивності на основі термічної ефективності (η_тер), які показують співвідношення між чистою роботою wneto, поділеною на підведення тепла qent:

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

Де:
що_сіль являє собою тепло, відведене ізохорним чином.

q_сіль Вона визначається зміною внутрішньої енергії (u) між станами, де відбувається процес відведення тепла, тобто станами 4 і 1. Ці величини беруться з таблиць пари, і для того, щоб знайти значення, необхідно знати дві частини інформації про стан, наприклад, температуру та тиск. Крім того, необхідно застосувати рівняння стану (P.v = R.T) і співвідношення тисків, об’ємів або тисків/відносних об’ємів, що відбувається між ізентропічними процесами.

У циклах Отто процес додавання тепла здійснюється при постійному об’ємі, тому вхідне тепло q_в визначається зміною внутрішньої енергії між станами 2 і 3, тобто u₃ - або₂:

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

У випадку процесу додавання тепла для дизельних циклів передбачається, що це відбувається за постійного тиску, а вхідне тепло q_в, обчислюється зі зміни ентальпії (h) між станами, де відбувається цей процес, тобто між станами 3 і 2. З урахуванням цих міркувань ефективність дизельного циклу можна визначити за допомогою виразу:

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

Ця схема показує деякі відмінності між циклом Отто та циклом Дизеля. Якби обидва двигуни могли працювати з однаковим ступенем стиснення (r), цикли Отто були б ефективнішими, однак на практиці дизельні двигуни мають вищі ступені стиснення.

Ступінь стиснення (r) і межа впуску (r_в)

Це безрозмірне значення є параметром у газових циклах і виражається як зв’язок між максимальним і мінімальним об’ємом циліндра:

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

І в циклі Отто, і в циклі Дизеля максимальний об’єм досягається в станах 1 або 4. Мінімальний об’єм у циклі Отто відбувається в станах 2 і 3, але в дизельному паливі він виникає лише в стані 2.

Безрозмірна константа питомої теплоємності "k" також визначена та являє собою залежність, ідентифіковану щодо змінних питомої теплоємності при постійному тиску (C_стор) і питома теплоємність при постійному обсязі (C_v):

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

Крім того, у дизельних циклах використовується граничний коефіцієнт або закриття впуску, тобто розраховується шляхом ділення максимального об’єму на мінімальний об’єм під час процесу додавання тепла, тобто казати:

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

ККД двигунів внутрішнього згоряння з використанням припущень про постійну питому теплоємність

У газовому циклі іноді можна припустити, що він працює в припущеннях щодо питомої теплоти, яка не змінюється залежно від температури, також називається холодним повітрям. стандарт (проте на практиці, якщо є варіації), і з огляду на це термічний ККД кожного циклу визначається наступним чином вирази:

Для циклу Отто

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

На діаграмі зліва показаний характерний діапазон значень ступеня стиснення для двигунів з іскровим запалюванням. Праворуч спостерігається зміна ефективності циклу Отто як функція ступеня стиснення (r) для різних значень k.

Для дизельного циклу

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

Де_v – питома теплоємність повітря при постійному об’ємі (C._v = 0,718 кДж/кг. К.) і C._стор питома теплоємність при постійному тиску, яка для повітря при навколишніх умовах дорівнює С_стор = 1,005 кДж/кг. К.

На діаграмі показано типовий діапазон ступеня стиснення (r) для дизельних двигунів, а також зміна термічної ефективності циклу для різних значень коефіцієнтів всмоктування (р_в).