Дизельный цикл

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

Предполагается, что дизельный цикл имеет постоянное давление в течение начальной части фазы сгорания ( на диаграмме ниже). Это идеализированная математическая модель: в реальных физических дизелях в этот период действительно наблюдается повышение давления, но оно менее выражено, чем в цикле Отто. Напротив, идеализированный цикл Отто бензинового двигателя на этой фазе приближается к процессу постоянного объема. $V_{2}$ $V_{3}$

Идеализированный дизельный цикл

На изображении показана pV-диаграмма идеального дизельного цикла; где - давление , а V - объем или удельный объем , если процесс ведется на единицу массы. Идеализированный дизельный цикл предполагает идеальный газ и игнорирует химию сгорания , процедуры выхлопа и перезарядки и просто следует четырем различным процессам: $p$ $v$

1 → 2: изэнтропическое сжатие жидкости (синий)
2→3: нагрев при постоянном давлении (красный)
3 → 4: изэнтропическое расширение (желтый)
4→1: охлаждение постоянного объема (зеленый) ^[1]

Дизельный двигатель является тепловым двигателем: он преобразует тепло в работу . Во время нижних изэнтропических процессов (синий) энергия передается в систему в виде работы , но по определению (изоэнтропия) никакая энергия не передается в систему или из нее в виде тепла. Во время процесса постоянного давления (красного, изобарного ) энергия поступает в систему в виде тепла . Во время верхних изэнтропических процессов (желтый) энергия передается из системы в форме , но по определению (изоэнтропия) никакая энергия не передается в систему или из нее в виде тепла. Во время процесса постоянного объема (зеленого, изохорного ) часть энергии выходит из системы в виде тепла через правильный процесс разгерметизации . Работа, покидающая систему, равна работе, поступающей в систему, плюс разность между теплом, добавленным в систему, и теплом, покидающим систему; другими словами, чистый прирост работы равен разнице между теплом, добавленным в систему, и теплом, которое покидает систему. $W_{in}$ $Q_{in}$ $W_{out}$ $Q_{out}$

Работу в ( ) совершает поршень, сжимающий воздух (система) $W_{in}$
Нагрев в ( ) осуществляется за счет сгорания топлива $Q_{in}$
Работа ( ) выполняется за счет расширения рабочей жидкости и толкания поршня (это производит полезную работу) $W_{out}$
Отвод тепла ( ) осуществляется путем выпуска воздуха $Q_{out}$
Чистая произведенная работа = - $Q_{in}$ $Q_{out}$

Произведенная чистая работа также представлена площадью, заключенной в цикл на фотоэлектрической диаграмме. Чистая работа производится за цикл и также называется полезной работой, поскольку ее можно превратить в другие полезные виды энергии и привести в движение транспортное средство ( кинетическая энергия ) или произвести электрическую энергию. Сумма 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. $W_{out}$

Максимальная тепловая эффективность

Максимальный тепловой КПД дизельного цикла зависит от степени сжатия и степени отсечки. При стандартном анализе холодного воздуха он имеет следующую формулу :

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

где

\eta _{th}

термический КПД

\alpha

- коэффициент отсечки (соотношение между конечным и начальным объемом фазы сгорания)

{\frac {V_{3}}{V_{2}}}

r

— степень сжатия

{\frac {V_{1}}{V_{2}}}

\gamma

– отношение теплоемкостей (C _p /C _v ) ^[2]

Коэффициент отсечки можно выразить через температуру, как показано ниже:

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

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

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

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

$T_{3}$ можно аппроксимировать температурой пламени используемого топлива. Температуру пламени можно аппроксимировать адиабатической температурой пламени топлива при соответствующем соотношении воздух-топливо и давлении сжатия . можно аппроксимировать температурой воздуха на входе. $p_{3}$ $T_{1}$

Эта формула дает только идеальную тепловую эффективность. Фактический тепловой КПД будет значительно ниже из-за потерь тепла и трения. Эта формула более сложна, чем соотношение цикла Отто (бензиновый/бензиновый двигатель), которое имеет следующую формулу:

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

Дополнительная сложность формулы дизельного двигателя возникает из-за того, что подвод тепла происходит при постоянном давлении, а отвод тепла происходит при постоянном объеме. Для сравнения, цикл Отто имеет как подвод, 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 настоящий дизельный двигатель в целом будет более эффективным, поскольку он сможет работать при более высоких степенях сжатия. Если бы бензиновый двигатель имел такую же степень сжатия, то возникла бы детонация (самовоспламенение), что серьезно снизило бы эффективность, тогда как в дизельном двигателе самовоспламенение является желательным поведением. Кроме того, оба этих цикла являются лишь идеализациями, а реальное поведение не разделяется столь четко и резко. Кроме того, приведенная выше формула идеального цикла Отто не включает потери на дросселирование, которые не применимы к дизельным двигателям.

Приложения

Дизельные двигатели

Дизельные двигатели имеют самый низкий удельный расход топлива среди всех крупных двигателей внутреннего сгорания, работающих в одном цикле: 0,26 фунта/л.с.·ч (0,16 кг/кВтч) для очень больших судовых двигателей (электростанции с комбинированным циклом более эффективны, но вместо них используются два двигателя). чем один). Двухтактные дизели с принудительной индукцией под высоким давлением, особенно с турбонаддувом , составляют значительную часть самых мощных дизельных двигателей.

В Северной Америке дизельные двигатели в основном используются в больших грузовиках, где цикл с низкими нагрузками и высоким КПД приводит к значительному увеличению срока службы двигателя и снижению эксплуатационных расходов. Эти преимущества также делают дизельный двигатель идеальным для использования на тяжелых железнодорожных и землеройных машинах.

Другие двигатели внутреннего сгорания без свечей зажигания

Многие модели самолетов используют очень простые «тлеющие» и «дизельные» двигатели. В двигателях накаливания используются свечи накаливания . «Дизельные» авиационные двигатели имеют переменную степень сжатия. Оба типа зависят от специального топлива.

В некоторых экспериментальных двигателях XIX века или ранее для воспламенения использовалось внешнее пламя, открывающееся через клапаны, но с увеличением сжатия это становится менее привлекательным. (Именно исследования Николя Леонара Сади Карно установили термодинамическую ценность сжатия.) Историческим следствием этого является то, что дизельный двигатель мог быть изобретен без помощи электричества. См. историю
развития двигателя с горячей лампой и непрямого впрыска .