Dizel və Benzin Mühərrikləri üzrə Termodinamik Tədqiqat
Pendahuluan
Daxili yanma mühərriki, yanacağın kimyəvi enerjisini silindr daxilində yanma yolu ilə mexaniki enerjiyə çevirən əsas texnologiyadır. Nəqliyyat vasitələrində və müxtəlif sənaye tətbiqlərində istifadə olunan ən çox yayılmış iki növ benzin (qığılcım alovlanması/SI) mühərriki və dizel (sıxılma alovlanması/CI) mühərrikidir. Hər ikisi dörd vuruşlu dövrəyə (bir çox dizaynda) və əsas termodinamik prinsiplərə əsaslansa da, qarışıq əmələ gəlməsi, alovlanma metodu, yanma xüsusiyyətləri və nəticədə səmərəlilik baxımından mühüm fərqlər mövcuddur. Termodinamikanın öyrənilməsi bizə dizel mühərriklərinin niyə daha səmərəli olmağa meylli olduğunu, benzin mühərriklərinin niyə fərqli reaksiya və dövr xüsusiyyətlərinə malik olduğunu və sıxılma nisbəti, temperatur, təzyiq və itkilər kimi parametrlərin performansı necə müəyyən etdiyini anlamağa kömək edir.
Daxili Yanma Mühərriklərinin Əsas Termodinamikası
İdeal olaraq, mühərrikin performansı çox vaxt real dünya prosesini sadələşdirən ideallaşdırılmış termodinamik dövr vasitəsilə təhlil edilir. Məqsəd yanmanın detallarını dəqiq şəkildə təkrarlamaq deyil, əksinə dizayn dəyişənlərinin səmərəliliyə təsirini qiymətləndirmək üçün bir çərçivə təmin etməkdir. Bu tədqiqatdakı əsas kəmiyyətlərə aşağıdakılar daxildir:
1. Sıxılma nisbəti (r): piston alt ölü mərkəzdə olduqda silindr həcminin yuxarı ölü mərkəzdəki həcmə nisbəti. Sıxılma nisbəti son sıxılma temperaturuna və təzyiqinə təsir göstərir və beləliklə, səmərəliliyi əhəmiyyətli dərəcədə müəyyən edir.
2. İstilik girişi (Q_in) və istilik çıxışı (Q_out): ideal dövr konsepsiyasında istilik girişi yanma (və ya istilik əlavə edilməsi) zamanı, istilik çıxışı isə istilik rədd edilməsi zamanı baş verir.
3. Xalis iş (W_net): genişləndirmə işi və sıxılma işi arasındakı fərq.
4. İstilik səmərəliliyi (η_th): xalis işin istilik girişinə nisbəti, yəni η_th = W_net / Q_in.
5. Termodinamikanın Birinci Qanunu: sistemdə enerjidəki dəyişikliklər istilik və iş ilə əlaqədardır. İdeal qapalı dövrdə xalis iş istilik girişi ilə istilik çıxışı arasındakı fərqə bərabərdir.
Təcrübədə, sürtünmə, silindr divarlarına istilik ötürülməsi, natamam yanma, nasos itkiləri, eləcə də işlənmiş qaz və soyutma sistemi amilləri səbəbindən faktiki səmərəlilik həmişə idealdan aşağı olur.
Benzin Mühərrikinin İdeal Dövrü: Otto Dövrü
İstilik əlavəsinin sabit həcmdə baş verdiyini fərz etsək, ideal benzin mühərriki Otto dövrü ilə təmsil olunur. İdeal Otto dövrünün əsas mərhələləri bunlardır:
1. İzentropik sıxılma: hava-yanacaq qarışığı istilik ötürülməsi olmadan sıxılır (ideal).
2. Sabit həcm istiliyinin əlavə edilməsi: yanmanın tez baş verdiyi fərz edilir ki, həcm sabit qalsın.
3. İzentropik genişlənmə: yanma qazı genişlənir, porşenə basır və iş əmələ gətirir.
4. Sabit həcmli istilik rəddi: istilik rədd edilir və dövr ilkin vəziyyətinə qayıdır.
İdeal Otto dövrünün istilik səmərəliliyi sıxılma nisbətinin funksiyası kimi yazıla bilər:
\[
\eta_{Otto} = 1 – \frac{1}{r^{\qamma – 1}}
\]
burada γ xüsusi istilik nisbətidir (Cp/Cv). Bu tənlik göstərir ki, sıxılma nisbətinin artırılması səmərəliliyi artırır. Lakin, benzin mühərrikləri yüksək temperatur və təzyiqlər səbəbindən nəzarətsiz yanma olan döymə (detonasiya) ilə məhdudlaşır və bu da qığılcım şamı sabit alov cəbhəsi yaratmazdan əvvəl qarışığın bir hissəsinin alovlanmasına səbəb olur. Buna görə də, benzin mühərriklərinin sıxılma nisbəti ümumiyyətlə dizel mühərriklərinə nisbətən daha aşağıdır.
İdeal Dizel Mühərrik Dövrü: Dizel Dövrü
İdeal dizel mühərriki Dizel dövrü ilə təmsil olunur və əsas fərq, ilkin genişlənmə vuruşu zamanı yanacaq yeridilməsi səbəbindən istilik əlavəsinin sabit (və ya sabitə yaxın) təzyiqdə baş verdiyi fərz edilməsidir. İdeal Dizel dövrünün mərhələləri bunlardır:
1. İzentropik sıxılma: təkcə hava çox yüksək temperatura qədər sıxılır.
2. Sabit təzyiqli istilik əlavəsi: yanacaq vurulur və yandırılır, prosesin bir hissəsi ərzində nisbətən sabit təzyiq saxlanılır.
3. İzentropik genişlənmə: isti qaz genişlənir və iş əmələ gətirir.
4. Sabit həcmli istilik yayılması: istilik ilkin vəziyyətə qayıtmaq üçün rədd edilir.
İdeal Dizel dövrünün səmərəliliyi sıxılma nisbətindən və son istilik əlavə həcminin ilkin istilik əlavə həcminə nisbəti olan kəsmə nisbətindən (ρ) asılıdır. Ümumiyyətlə, eyni sıxılma nisbəti üçün Otto səmərəliliyi ideal Dizelə nisbətən daha yüksək olmağa meyllidir. Lakin reallıq bunun əksini göstərir: dizel mühərrikləri çox vaxt daha səmərəlidir, çünki onlar daha yüksək sıxılma nisbətlərindən istifadə edə və daha kiçik qaz itkiləri ilə işləyə bilirlər.
Termodinamik Müqayisə: Dizel Niyə Daha Səmərəlidir?
Tətbiqi termodinamika baxımından bir neçə əsaslı səbəb var:
1. Dizeldə daha yüksək sıxılma nisbəti
Dizel mühərrikləri yalnız havanı sıxır, ona görə də döymək benzin mühərriklərindəki qədər əhəmiyyətli bir məhdudiyyət deyil. Dizel sıxılma nisbətləri daha yüksək ola bilər ki, bu da sıxılma sonunda daha yüksək temperaturlara, daha asan yanmaya və daha yüksək səmərəliliyə səbəb olur.
2. Qismən yükdə qaz pedalı olmadan işləmə
Bir çox benzin mühərrikləri, giriş hava axınını məhdudlaşdıran qazla gücü tənzimləyir. Bu, xüsusilə yüngül yüklərdə nasos itkilərinə səbəb olur. Dizel mühərrikləri ümumiyyətlə artıq havanı saxlayarkən, vurulan yanacaq miqdarı ilə gücü tənzimləyir və nəticədə nasos itkiləri azalır və qismən səmərəlilik artır.
3. Yanma xüsusiyyətləri və hava-yanacaq nisbəti
Dizel mühərrikləri adətən çox yağsız qarışıqda işləyir və bu da müəyyən şərtlər altında daha aşağı pik temperaturlara imkan verir və istilik itkisini azaldır. Bununla belə, dizel həmçinin nəzarət tələb edən hissəcik maddələri (his) və NOx emissiyaları ilə bağlı çətinliklər də yaradır.
4. Yanacağın kalorifik dəyəri və enerji sıxlığı
Dizel yanacağı benzinlə müqayisədə daha yüksək həcmli enerji sıxlığına malikdir. İstilik səmərəliliyi ayrı bir anlayış olaraq qalsa da, bu amil kilometrə və litrə düşən yanacaq sərfiyyatına təsir göstərir və bu da çox vaxt dizelin daha "səmərəli" görünməsinə səbəb olur.
Real Proses Aspektləri: İdeal Dövrdən Real Dövrədə
İdeal Otto və Dizel dövrləri izentropik bir proses və "səliqəli" istilik əlavəsini nəzərdə tutur. Real mühərriklər aşağıdakılar da daxil olmaqla əhəmiyyətli sapmalar yaşayır:
– Silindr divarına istilik ötürülməsi işçi qazın temperaturunu azaldır və beləliklə, genişlənmə işi azalır.
– Porşen halqaları, yastıqlar və klapan mexanizmi komponentlərində mexaniki sürtünmə effektiv gücü azaldır.
– Yanma müddəti: yanma ani deyil. Benzin mühərriklərində yanma üçün bir neçə dərəcə krank mili bucağı tələb olunur; dizel mühərriklərində isə gecikmiş alovlanma və diffuziya yanması baş verir.
– Əvvəlki dövrdən qalan qaz sonrakı qarışığın tərkibini və temperaturunu dəyişir.
– Həcm səmərəliliyi giriş/çıxış dizaynı və klapan vaxtı ilə müəyyən edilir və daxil olan hava kütləsini müəyyən edir və beləliklə, gücə və istehlaka təsir göstərir.
Mühəndislik təhlilində performans çox vaxt göstərilən orta effektiv təzyiq (IMEP) və əyləc orta effektiv təzyiqi (BMEP) ilə ölçülür. IMEP silindrdə görülən termodinamik işi əks etdirir, BMEP isə mexaniki itkilər çıxıldıqdan sonra valda faktiki olaraq mövcud olan işi əks etdirir. İkisi arasındakı fərq mexaniki səmərəliliklə bağlıdır.
Emissiyalara Termodinamik Təsir
Termodinamikanın öyrənilməsi emissiyaların əmələ gəlməsindən ayrıla bilməz, çünki qarışığın temperaturu, təzyiqi və tərkibi kimyəvi reaksiyaları müəyyən edir.
– Benzin mühərrikləri yanma natamam olduqda CO və HC istehsal etməyə meyllidir, lakin qarışıq stexiometrikə yaxın olduqda üç tərəfli katalizatorlar təsirli olur.
– Dizel mühərrikləri NOx (yüksək temperatur və artıq oksigen səbəbindən) və hissəciklər/his (diffuz yanmada yerli zəngin zonalar səbəbindən) istehsal etməyə meyllidir. Səmərəlilik və emissiyaları balanslaşdırmaq üçün EGR (işlənmiş qazın təkrar dövriyyəsi), turbomühərrikləmə və sonrakı emal (SCR/DPF) kimi strategiyalardan istifadə olunur.
Müasir İnkişaflar: Turboşarj, Birbaşa Enjeksiyon və Qarışıq Dövr
Texnoloji irəliləyişlər "benzin xüsusiyyətləri" və "dizel xüsusiyyətləri" arasındakı sərhədləri silir. Müasir benzin mühərrikləri səmərəliliyi artırmaq və yanacaq sərfiyyatını azaltmaq üçün tez-tez birbaşa enjeksiyon və turboşarjdan istifadə edir, baxmayaraq ki, bu, hissəcik maddələrini artıra və filtrlər tələb edə bilər. Bu arada, müasir dizel mühərrikləri yanmanı optimallaşdırmaq üçün çoxmərhələli enjeksiyon nəzarətindən və dəyişkən turboşarjdan istifadə edir.
Termodinamik tədqiqatlarda müasir mühərriklər çox vaxt ikili dövrə kimi təhlil edilir: istilik əlavəsi qismən sabit həcmdə, qismən də sabit təzyiqdə baş verir. Bu model Otto və ya Dizel fərziyyələrinə tam cavab verməyən faktiki yanmanı təsvir etmək üçün daha realdır.
Nəticə
Dizel və benzin mühərriklərinin termodinamik tədqiqatları göstərir ki, fərqli alovlanma və qarışıq əmələ gətirmə üsulları fərqli ideal dövrlərə səbəb olur: benzin üçün Otto (sabit həcm) və dizel üçün Dizel (sabit təzyiq). İdeal Otto dövrü eyni sıxılma nisbətində daha səmərəli ola bilsə də, dizel mühərrikləri praktikada daha yüksək sıxılma nisbətlərindən istifadə etmək və qismən yüklərdə nasos itkilərini azaltmaq qabiliyyətinə görə tez-tez səmərəlilikdə üstündürlər. Bununla belə, səmərəlilik müstəqil bir məsələ deyil: emissiyalar, fırlanma momenti xüsusiyyətləri, sistem xərcləri və texniki xidmət tələbləri tətbiqi müəyyən edən amillərdir. Birbaşa enjeksiyon, turboşarj, EGR və sonrakı emal kimi müasir texnologiyalarla hər iki mühərrik növü yeni optimal nöqtələrə doğru irəliləməyə davam edir - emissiyaları azaldarkən istilik səmərəliliyini artırır - buna görə də termodinamikanın başa düşülməsi daxili yanma mühərriklərinin dizaynı və performansının qiymətləndirilməsi üçün vacib bir təməl olaraq qalır.
