Дизельный цикл

Процесс сгорания в двигателе

Дизельный цикл — это процесс сгорания в поршневом двигателе внутреннего сгорания . В нем топливо воспламеняется за счет тепла, выделяемого при сжатии воздуха в камере сгорания, в которую затем впрыскивается топливо. Это отличается от воспламенения топливно-воздушной смеси с помощью свечи зажигания , как в двигателе цикла Отто ( четырехтактном /бензиновом). Дизельные двигатели используются в самолетах , автомобилях , электростанциях , дизель-электрических локомотивах , а также надводных кораблях и подводных лодках .

Предполагается, что цикл Дизеля имеет постоянное давление в течение начальной части фазы сгорания ( на диаграмме ниже). Это идеализированная математическая модель: реальные физические дизели действительно имеют рост давления в течение этого периода, но он менее выражен, чем в цикле Отто. Напротив, идеализированный цикл Отто бензинового двигателя приближается к процессу постоянного объема в течение этой фазы. ${\displaystyle V_{2}}$ ${\displaystyle V_{3}}$

Идеализированный цикл Дизеля

Диаграмма p–V для идеального цикла Дизеля . Цикл следует числам 1–4 по часовой стрелке.

На рисунке показана диаграмма p–V для идеального цикла Дизеля; где — давление , а V — объем или удельный объем, если процесс рассматривается на основе единичной массы. Идеализированный цикл Дизеля предполагает идеальный газ и игнорирует химию сгорания , процедуры выхлопа и перезарядки и просто следует четырем различным процессам: ${\displaystyle p}$ ${\displaystyle v}$

• 1→2: изоэнтропическое сжатие жидкости (синий)
• 2→3: нагрев при постоянном давлении (красный)
• 3→4: изоэнтропическое расширение (желтый)
• 4→1: охлаждение постоянным объемом (зеленый) ^[1]

Дизельный двигатель является тепловым двигателем: он преобразует тепло в работу . Во время нижних изоэнтропических процессов (синий) энергия передается в систему в форме работы , но по определению (изоэнтропический) никакая энергия не передается в систему или из нее в форме тепла. Во время процесса постоянного давления (красный, изобарический ) энергия поступает в систему в виде тепла . Во время верхних изоэнтропических процессов (желтый) энергия передается из системы в форме , но по определению (изоэнтропический) никакая энергия не передается в систему или из нее в форме тепла. Во время процесса постоянного объема (зеленый, изохорический ) часть энергии вытекает из системы в виде тепла через правый процесс сброса давления . Работа, которая покидает систему, равна работе, которая поступает в систему, плюс разница между теплом, добавленным к системе, и теплом, которое покидает систему; другими словами, чистый прирост работы равен разнице между теплом, добавленным к системе, и теплом, которое покидает систему. ${\displaystyle W_{in}}$ ${\displaystyle Q_{in}}$ ${\displaystyle W_{out}}$ ${\displaystyle Q_{out}}$

• Работа в ( ) выполняется поршнем, сжимающим воздух (систему) ${\displaystyle W_{in}}$
• Тепло в ( ) производится за счет сгорания топлива ${\displaystyle Q_{in}}$
• Работа ( ) выполняется за счет расширения рабочей жидкости и толкания поршня (это производит полезную работу) ${\displaystyle W_{out}}$
• Отвод тепла ( ) осуществляется путем выпуска воздуха ${\displaystyle Q_{out}}$
• Чистая произведенная работа = - ${\displaystyle Q_{in}}$ ${\displaystyle Q_{out}}$

Чистая произведенная работа также представлена ​​площадью, ограниченной циклом на диаграмме p–V. Чистая работа производится за цикл и также называется полезной работой, поскольку ее можно превратить в другие полезные виды энергии и приводить в движение транспортное средство ( кинетическая энергия ) или производить электрическую энергию. Суммирование многих таких циклов за единицу времени называется развиваемой мощностью. Также называется валовой работой, часть которой используется в следующем цикле двигателя для сжатия следующего заряда воздуха. ${\displaystyle W_{out}}$

Максимальная тепловая эффективность

Максимальная тепловая эффективность цикла Дизеля зависит от степени сжатия и коэффициента отсечки. Она имеет следующую формулу при стандартном анализе холодного воздуха:

${\displaystyle \eta _{th}=1-{\frac {1}{r^{\gamma -1}}}\left({\frac {\alpha ^{\gamma }-1}{\gamma (\alpha -1)}}\right)}$

где

${\displaystyle \eta _{th}}$это тепловая эффективность

${\displaystyle \alpha }$- коэффициент отсечки (соотношение между конечным и начальным объемом для фазы сгорания) ${\displaystyle {\frac {V_{3}}{V_{2}}}}$

r — степень сжатия ${\displaystyle {\frac {V_{1}}{V_{2}}}}$

${\displaystyle \gamma }$это отношение удельных теплоемкостей (C _p /C _v ) ^[2]

Коэффициент отсечки можно выразить через температуру, как показано ниже:

${\displaystyle {\frac {T_{2}}{T_{1}}}={\left({\frac {V_{1}}{V_{2}}}\right)^{\gamma -1}}=r^{\gamma -1}}$

${\displaystyle \displaystyle {T_{2}}={T_{1}}r^{\gamma -1}}$

${\displaystyle {\frac {V_{3}}{V_{2}}}={\frac {T_{3}}{T_{2}}}}$

${\displaystyle \alpha =\left({\frac {T_{3}}{T_{1}}}\right)\left({\frac {1}{r^{\gamma -1}}}\right)}$

${\displaystyle T_{3}}$может быть приближена к температуре пламени используемого топлива. Температура пламени может быть приближена к адиабатической температуре пламени топлива с соответствующим соотношением воздуха к топливу и давлением сжатия, . может быть приближена к температуре входящего воздуха. ${\displaystyle p_{3}}$ ${\displaystyle T_{1}}$

Эта формула дает только идеальную тепловую эффективность. Фактическая тепловая эффективность будет значительно ниже из-за потерь тепла и трения. Формула сложнее, чем соотношение цикла Отто (бензиновый двигатель), которое имеет следующую формулу:

${\displaystyle \eta _{otto,th}=1-{\frac {1}{r^{\gamma -1}}}}$

Дополнительная сложность для формулы Дизеля возникает из-за того, что подвод тепла происходит при постоянном давлении, а отвод тепла — при постоянном объеме. Цикл Отто, для сравнения, имеет как подвод тепла, так и отвод тепла при постоянном объеме.

Сравнение эффективности с циклом Отто

Сравнивая две формулы, можно увидеть, что для заданной степени сжатия ( r ) идеальный цикл Отто будет более эффективным. Однако реальный дизельный двигатель будет более эффективным в целом, поскольку он будет иметь возможность работать при более высоких степенях сжатия. Если бы бензиновый двигатель имел ту же степень сжатия, то произошла бы детонация (самовоспламенение), и это значительно снизило бы эффективность, тогда как в дизельном двигателе самовоспламенение является желаемым поведением. Кроме того, оба этих цикла являются лишь идеализациями, и фактическое поведение не разделяется так четко или резко. Кроме того, формула идеального цикла Отто, указанная выше, не включает потери на дросселирование, которые не применяются к дизельным двигателям.

Приложения

Дизельные двигатели

Дизельные двигатели имеют самый низкий удельный расход топлива среди всех крупных двигателей внутреннего сгорания, использующих один цикл, 0,26 фунта/л.с.·ч (0,16 кг/кВт·ч) для очень больших судовых двигателей (электростанции с комбинированным циклом более эффективны, но используют два двигателя вместо одного). Двухтактные дизели с принудительной индукцией высокого давления, особенно с турбонаддувом , составляют большой процент самых больших дизельных двигателей.

В Северной Америке дизельные двигатели в основном используются в больших грузовиках, где цикл с низким напряжением и высокой эффективностью обеспечивает гораздо более длительный срок службы двигателя и более низкие эксплуатационные расходы. Эти преимущества также делают дизельный двигатель идеальным для использования в тяжелых железнодорожных перевозках и землеройных работах.

Прочие двигатели внутреннего сгорания без свечей зажигания

Во многих моделях самолетов используются очень простые двигатели «накаливания» и «дизель». В двигателях накаливания используются свечи накаливания . «Дизельные» двигатели для моделей самолетов имеют переменную степень сжатия. Оба типа зависят от специального топлива.

Некоторые экспериментальные двигатели 19-го века или ранее использовали внешнее пламя, выведенное клапанами, для зажигания, но это становится менее привлекательным с увеличением сжатия. (Это были исследования Николя Леонара Сади Карно , которые установили термодинамическое значение сжатия.) Историческим последствием этого является то, что дизельный двигатель мог быть изобретен без помощи электричества.
См. разработку двигателя с горячим баллоном и непрямого впрыска для исторической значимости.

Ссылки

1. Истопп и Макконки 1993, Прикладная термодинамика для инженеров-технологов , Pearson Education Limited, Пятое издание, стр. 137
2. «Дизельный двигатель».

Смотрите также

• Дизельный двигатель
• Двигатель с горячей лампочкой
• Смешанный/двойной цикл
• Частично предварительно смешанное горение