Термодинамично изследване на дизелови и бензинови двигатели
Пендахулуан
Двигателят с вътрешно горене е ключова технология, която преобразува химическата енергия на горивото в механична енергия чрез горене в цилиндър. Двата най-често срещани типа, използвани в превозните средства и различни промишлени приложения, са бензиновият (с искрово запалване/SI) двигател и дизеловият (с компресионно запалване/CI) двигател. Въпреки че и двата разчитат на четиритактов цикъл (в много конструкции) и основни термодинамични принципи, има важни разлики в образуването на сместа, метода на запалване, характеристиките на горене и следователно ефективността. Изучаването на термодинамиката ни помага да разберем защо дизеловите двигатели са склонни да бъдат по-ефективни, защо бензиновите двигатели имат различни характеристики на реакция и обороти и как параметри като степен на сгъстяване, температура, налягане и загуби определят производителността.
Основна термодинамика на двигателите с вътрешно горене
В идеалния случай, работата на двигателя често се анализира чрез идеализиран термодинамичен цикъл, който опростява реалния процес. Целта не е да се възпроизведат точно детайлите на горенето, а по-скоро да се осигури рамка за оценка на влиянието на конструктивните променливи върху ефективността. Ключовите величини в това изследване включват:
1. Степен на сгъстяване (r): съотношението на обема на цилиндъра, когато буталото е в долна мъртва точка, към обема в горна мъртва точка. Степента на сгъстяване влияе върху крайната температура и налягане на сгъстяване, като по този начин до голяма степен определя ефективността.
2. Подавана топлина (Q_in) и отдадена топлина (Q_out): в идеалната концепция за цикъл, подаването на топлина се осъществява по време на горенето (или добавянето на топлина), а отделянето на топлина се осъществява по време на отвеждането на топлина.
3. Нетна работа (W_net): разликата между работа на разширение и работа на компресия.
4. Термична ефективност (η_th): съотношението на нетната работа към вложената топлина, а именно η_th = W_net / Q_in.
5. Първи закон на термодинамиката: промените в енергията в една система са свързани с топлина и работа. В идеален затворен цикъл, нетната работа е равна на разликата между вложената и отдадената топлина.
На практика, действителната ефективност винаги е по-ниска от идеалната поради триене, пренос на топлина към стените на цилиндъра, непълно горене, загуби при изпомпване, както и фактори, свързани с отработените газове и охладителната система.
Идеален цикъл на бензинов двигател: цикъл на Ото
Идеалният бензинов двигател е представен от цикъла на Ото, приемайки, че подаването на топлина се извършва при постоянен обем. Основните етапи на идеалния цикъл на Ото са:
1. Изентропна компресия: сместа въздух-гориво се компресира без пренос на топлина (идеално).
2. Добавяне на топлина при постоянен обем: приема се, че горенето протича бързо, така че обемът остава постоянен.
3. Изентропно разширение: горивният газ се разширява, бутайки буталото и извършвайки работа.
4. Отделяне на топлина с постоянен обем: топлината се отвежда и цикълът се връща в първоначалното си състояние.
Термичният коефициент на полезно действие на идеалния цикъл на Ото може да се запише като функция на степента на сгъстяване:
\[
\eta_{Otto} = 1 – \frac{1}{r^{\gamma – 1}}
\]
където γ е специфичното топлинно съотношение (Cp/Cv). Това уравнение показва, че увеличаването на степента на сгъстяване увеличава ефективността. Бензиновите двигатели обаче са ограничени от детонация (детонация), която представлява неконтролирано горене поради високи температури и налягания, което кара част от сместа да се запали, преди свещта да създаде стабилен фронт на пламъка. Следователно, степента на сгъстяване на бензиновите двигатели обикновено е по-ниска от тази на дизеловите двигатели.
Идеален цикъл на дизеловия двигател: Цикъл на дизеловия двигател
Идеалният дизелов двигател е представен от дизеловия цикъл, като основната разлика е, че се приема, че добавянето на топлина се осъществява при постоянно (или почти постоянно) налягане поради впръскването на гориво по време на първоначалния такт на разширение. Етапите на идеалния дизелов цикъл са:
1. Изентропна компресия: въздухът сам по себе си се компресира до много висока температура.
2. Подаване на топлина при постоянно налягане: горивото се впръсква и изгаря, като се поддържа относително постоянно налягане по време на част от процеса.
3. Изентропно разширение: горещият газ се разширява и извършва работа.
4. Разсейване на топлината с постоянен обем: топлината се отвежда, за да се върне в първоначалното състояние.
Ефективността на идеалния дизелов цикъл зависи от степента на сгъстяване и граничния коефициент (ρ), който е съотношението на крайния обем на добавената топлина към началния обем на добавената топлина. Като цяло, за една и съща степен на сгъстяване, ефективността на Ото е по-висока от тази на идеалния дизел. Реалността обаче е обратната: дизеловите двигатели често са по-ефективни, защото могат да използват по-високи степени на сгъстяване и да работят с по-малки загуби от дроселиране.
Термодинамично сравнение: Защо дизелът е по-ефективен?
От гледна точка на приложната термодинамика има няколко убедителни причини:
1. По-висока степен на компресия при дизела
Дизеловите двигатели компресират само въздух, така че детонацията не е толкова съществено ограничение, колкото е при бензиновите двигатели. Степента на компресия при дизеловите двигатели може да бъде много по-висока, което води до по-високи температури в края на компресията, по-лесно горене и повишена ефективност.
2. Работа без дросел при частично натоварване
Много бензинови двигатели регулират мощността с дросел, който ограничава всмукателния въздушен поток. Това създава загуби при изпомпване, особено при леки натоварвания. Дизеловите двигатели обикновено регулират мощността чрез количеството впръскано гориво, като същевременно задържат излишния въздух, което води до по-ниски загуби при изпомпване и по-добра частична ефективност.
3. Характеристики на горенето и съотношение въздух-гориво
Дизеловите двигатели обикновено работят с много бедна смес, което позволява по-ниски пикови температури при определени условия, намалявайки топлинните загуби. Дизелът обаче представлява и предизвикателства с емисиите на твърди частици (сажди) и NOx, които изискват контрол.
4. Калорична стойност и енергийна плътност на горивото
Дизеловото гориво има по-висока обемна енергийна плътност от бензина. Въпреки че топлинната ефективност остава отделно понятие, този фактор влияе върху разхода на гориво на километър и на литър, което често прави дизела да изглежда по-„ефективен“.
Аспекти на реалния процес: от идеалния цикъл до действителния цикъл
Идеалните цикли на Ото и Дизел предполагат изоентропен процес и „чисто“ добавяне на топлина. Реалните двигатели претърпяват значителни отклонения, включително:
– Преносът на топлина към стената на цилиндъра намалява температурата на работния газ, така че работата по разширение се намалява.
– Механичното триене върху буталните пръстени, лагерите и компонентите на клапанния механизъм намалява ефективната мощност.
– Продължителност на горенето: горенето не е мигновено. При бензиновите двигатели горенето изисква няколко градуса ъгъл на коляновия вал; при дизеловите двигатели има забавено запалване и дифузионно горене.
– Остатъчният газ от предишния цикъл променя състава и температурата на следващата смес.
– Обемната ефективност се влияе от конструкцията на всмукателната/изпускателната система и времето на газоразпределение, определяйки масата на постъпващия въздух, като по този начин влияят на мощността и разхода на гориво.
В инженерния анализ, производителността често се измерва чрез посоченото средно ефективно налягане (IMEP) и средното ефективно налягане на спирачката (BMEP). IMEP отразява термодинамичната работа, извършена в цилиндъра, докато BMEP е работата, действително налична на вала след приспадане на механичните загуби. Разликата между двете се отнася до механичния КПД.
Термодинамично въздействие върху емисиите
Изучаването на термодинамиката не може да бъде отделено от образуването на емисии, защото температурата, налягането и съставът на сместа определят химичните реакции.
– Бензиновите двигатели са склонни да произвеждат CO и HC, ако горенето е непълно, но трипътните катализатори са ефективни, когато сместа е близка до стехиометричната.
– Дизеловите двигатели са склонни да произвеждат NOx (поради високи температури и излишък на кислород) и твърди частици/сажди (поради локални богати зони при дифузно горене). Стратегии като EGR (рециркулация на отработените газове), турбокомпресор и последваща обработка (SCR/DPF) се използват за балансиране на ефективността и емисиите.
Съвременни разработки: турбокомпресор, директно впръскване и смесен цикъл
Технологичният напредък размива границите между „характеристиките на бензина“ и „характеристиките на дизела“. Съвременните бензинови двигатели често използват директно впръскване и турбокомпресор, за да подобрят ефективността и да намалят разхода на гориво, въпреки че това може да увеличи частиците и да изисква филтри. Междувременно, съвременните дизелови двигатели използват многостепенно управление на впръскването и променливо турбокомпресор, за да оптимизират горенето.
В термодинамичните изследвания съвременните двигатели често се анализират като двоен цикъл: добавянето на топлина се осъществява частично при постоянен обем и частично при постоянно налягане. Този модел е по-реалистичен за описание на действителното горене, което не отговаря напълно на предположенията на Ото или Дизел.
Заключение
Термодинамичните изследвания на дизеловите и бензиновите двигатели показват, че различните методи на запалване и смесообразуване водят до различни идеални цикли: цикъл на Ото (постоянен обем) за бензин и дизел (постоянно налягане) за дизел. Докато идеалният цикъл на Ото може да бъде по-ефективен при същото съотношение на компресия, дизеловите двигатели на практика често се отличават с ефективност поради способността си да използват по-високи съотношения на компресия и да намаляват загубите при частични натоварвания. Ефективността обаче не е самостоятелен проблем: емисиите, характеристиките на въртящия момент, системните разходи и изискванията за поддръжка са определящи фактори за приложението. Със съвременните технологии като директно впръскване, турбокомпресор, EGR и последваща обработка, и двата типа двигатели продължават да се развиват към нови оптимални точки – подобрявайки топлинната ефективност, като същевременно намаляват емисиите – така че разбирането на термодинамиката остава ключова основа за проектирането и оценката на производителността на двигателите с вътрешно горене.
