Diiselmootorite ja bensiinimootorite termodünaamiline uuring
Pendahuluan
Sisepõlemismootor on võtmetehnoloogia, mis muundab kütuse keemilise energia silindris toimuva põlemise kaudu mehaaniliseks energiaks. Kaks kõige levinumat sõidukites ja erinevates tööstuslikes rakendustes kasutatavat tüüpi on bensiinimootor (sädesüüde/SI) ja diiselmootor (survesüüde/CI). Kuigi mõlemad tuginevad neljataktilisele tsüklile (paljudes konstruktsioonides) ja termodünaamilistele põhiprintsiipidele, on nende vahel olulisi erinevusi segu moodustumise, süütemeetodi, põlemisomaduste ja sellest tulenevalt ka efektiivsuse osas. Termodünaamika uurimine aitab meil mõista, miks diiselmootorid kipuvad olema tõhusamad, miks bensiinimootoritel on erinevad reageerimis- ja pööreteomadused ning kuidas sellised parameetrid nagu surveaste, temperatuur, rõhk ja kaod määravad jõudlust.
Termodünaamika alused Sisepõlemismootor
Ideaalis analüüsitakse mootori jõudlust sageli idealiseeritud termodünaamilise tsükli kaudu, mis lihtsustab reaalse maailma protsessi. Eesmärk ei ole põlemise üksikasjade täpne kopeerimine, vaid pigem raamistiku pakkumine selle hindamiseks. disainimuutujate mõju efektiivsuseleSelle uuringu olulised suurused on järgmised:
1. Survesuhe (r): silindri mahu suhe alumises surnud punktis ja mahu vahel ülemises surnud punktis. Survesuhe mõjutab temperatuur ja rõhk kokkusurumise lõpp, seega määrab see tegelikult efektiivsuse.
2. Soojussisend (Q_sisend) ja soojusväljund (Q_väljas): ideaalse tsükli kontseptsioonis toimub soojussisend põlemisel (või soojuse lisamisel) ja soojusväljund soojuse eraldamisel.
3. Võrgu töö (W_net): laiendustöö ja kokkusurumistöö erinevus.
4. Soojuslik kasutegur (η_th): netotöö ja soojusvõimsuse suhe, nimelt η_th = W_net / Q_in.
5. Termodünaamika esimene seadus: süsteemi energia muutused on seotud soojuse ja tööga. Ideaalses suletud tsüklis on netotöö võrdne soojuse sisendi ja soojuse väljundi vahega.
Praktikas on tegelik efektiivsus alati ideaalsest madalam hõõrdumise, silindri seintele ülekande soojuse, mittetäieliku põlemise, pumpamiskadude, aga ka heitgaaside ja jahutussüsteemi tegurite tõttu.
Bensiinimootori ideaalne tsükkel: Otto tsükkel
Ideaalset bensiinimootorit esindab Otto tsükkel, eeldades, et soojuse lisandumine toimub konstantsel ruumalal. Ideaalse Otto tsükli peamised etapid on:
1. Isentroopne kokkusurumine: õhu ja kütuse segu surutakse kokku ilma soojusülekandeta (ideaalne).
2. Konstantse mahuga soojuse lisamine: eeldatakse, et põlemine toimub kiiresti, nii et maht jääb konstantseks.
3. Isentroopne paisumine: põlemisgaas paisub, surudes kolbi ja tehes tööd.
4. Konstantse mahuga soojuse eraldumine: soojus eraldub ja tsükkel naaseb algseisundisse.
Ideaalse Otto tsükli termilist efektiivsust saab kirjutada surveastme funktsioonina:
\[
\eta_{Otto} = 1 – \frac{1}{r^{\gamma – 1}}
\]
kus γ on erisoojussuhe (Cp/Cv). Sellest võrrandist on näha, et surveastme suurendamine suurendada efektiivsustBensiinimootorite tööd piirab aga koputamine (detonatsioon), mis on kontrollimatu põlemine, mis on tingitud kõrge temperatuur ja rõhk See põhjustab osa segu iseenesliku süttimise enne, kui süüteküünal tekitab stabiilse leegirinde. Seetõttu on bensiinimootorite surveaste üldiselt madalam kui diiselmootoritel.
Ideaalne diiselmootori tsükkel: diislitsükkel
Ideaalset diiselmootorit esindab diislitsükkel, mille peamine erinevus on see, et soojuse lisandumine toimub konstantse (või peaaegu konstantse) rõhu juures tänu kütuse sissepritse esialgse paisumiskäigu ajal. Ideaalsed diiseltsükli etapid on:
1. Isentroopne kokkusurumine: ainult õhk surutakse kokku väga kõrge temperatuurini.
2. Konstantse rõhu all toimuv soojuse lisamine: kütust süstitakse ja põletatakse, hoides protsessi osa vältel suhteliselt konstantset rõhku.
3. Isentroopne paisumine: kuum gaas paisub ja teeb tööd.
4. Konstantse mahuga soojuse hajumine: soojus eemaldatakse, et naasta algseisundisse.
Ideaalse diiseltsükli efektiivsus sõltub surveastmest ja piirväärtusest (ρ), mis on lõpliku soojuse lisamise mahu ja esialgse soojuse lisamise mahu suhe. Üldiselt on sama surveastme korral Otto mootori efektiivsus kõrgem kui ideaalsel diiselmootoril. Tegelikkus on aga vastupidine: diiselmootorid on sageli efektiivsemad, kuna nad saavad kasutada kõrgemaid surveastmeid ja töötada väiksemate drosselkaotustega.
Termodünaamiline võrdlus: miks diisel on tõhusam?
Rakendusliku termodünaamika seisukohast on mitu kaalukat põhjust:
1. Kõrgem surveaste diiselmootorites
Diiselmootorid suruvad kokku ainult õhku, seega pole detonatsioon nii oluline piirang kui bensiinimootorite puhul. Diiselmootorite surveastmed võivad olla palju kõrgemad, mille tulemuseks on kõrgemad kokkusurumise lõpptemperatuurid, lihtsam põlemine ja suurem efektiivsus.
2. Osalise koormusega töötamine ilma drosselklapita
Paljud bensiinimootorid reguleerivad võimsust drosselklapiga, mis piirab sisselaskeõhu voolu. See tekitab pumpamiskadusid, eriti väikese koormuse korral. Diiselmootorid reguleerivad võimsust üldiselt sissepritsetava kütuse hulga järgi, säilitades samal ajal liigse õhu, mille tulemuseks on väiksemad pumpamiskaod ja parem osaline efektiivsus.
3. Põlemisomadused ja õhu-kütuse suhe
Diiselmootorid töötavad tavaliselt väga lahja seguga, mis võimaldab teatud tingimustel madalamaid tipptemperatuure, vähendades seeläbi soojuskadusid. Diiselmootoritel on aga ka probleeme tahkete osakeste (tahma) ja lämmastikoksiidide (NOx) heitkogustega, mida tuleb kontrollida.
4. Kütuse kütteväärtus ja energiatihedus
Diiselkütusel on suurem mahuline energiatihedus kui bensiinil. Kuigi termiline efektiivsus jääb eraldi mõisteks, mõjutab see tegur kütusekulu kilomeetri ja liitri kohta, mistõttu diiselkütus tundub sageli "tõhusam".
Reaalse protsessi aspektid: ideaalsest tsüklist tegeliku tsüklini
Tsükkel Otto ja Diisel Ideaal eeldab isentroopilist protsessi ja „puhast“ soojuse lisandumist. Tegelikes mootorites esinevad suured kõrvalekalded, sealhulgas:
– Soojusülekanne silindri seinale vähendab töögaasi temperatuuri, nii et paisumistöö väheneb.
– Kolvirõngaste, laagrite ja klapiajami komponentide mehaaniline hõõrdumine vähendab efektiivset võimsust.
– Põlemise kestus: põlemine ei toimu hetkeliselt. Bensiinimootorites nõuab põlemine väntvõlli nurga mitut kraadi; diiselmootorites toimub viivitatud süttimine ja difusioonpõlemine.
– Eelmisest tsüklist jäänud gaas muudab järgneva segu koostist ja temperatuuri.
– Mahulist efektiivsust mõjutavad sisselaske-/väljalaskesüsteemi konstruktsioon ja klapiajastus, mis määravad siseneva õhu massi ja seega ka võimsuse ja kütusekulu.
Insenerianalüüsis mõõdetakse jõudlust sageli näidatud keskmise efektiivrõhu (IMEP) ja pidurduskeskmise efektiivrõhu (BMEP) abil. IMEP kajastab silindris tehtud termodünaamilist tööd, samas kui BMEP on võllil tegelikult tehtav töö pärast mehaaniliste kadude mahaarvamist. Nende kahe erinevus on seotud mehaanilise efektiivsusega.
Termodünaamiline mõju heitkogustele
Termodünaamiline uuring ei saa heitmete tekkest eraldada, kuna temperatuur, rõhk ja segu koostis määravad keemilise reaktsiooni.
– Bensiinimootorid kipuvad CO-d ja HC-d tootma, kui põlemine on mittetäielik, kuid kolmeastmelised katalüsaatorid on tõhusad, kui segu on lähedane stöhhiomeetrilisele.
– Diiselmootorid kipuvad tootma lämmastikoksiidi (NOx) (kõrge temperatuuri ja liigse hapniku tõttu) ja tahkeid osakesi/tahma (hajusa põlemise lokaalsete rikaste tsoonide tõttu). Tõhususe ja heitkoguste tasakaalustamiseks kasutatakse selliseid strateegiaid nagu EGR (heitgaaside retsirkulatsioon), turboülelaadimine ja järeltöötlus (SCR/DPF).
Kaasaegsed arengud: turboülelaadimine, otsepritse ja segatsükkel
Tehnoloogia areng hägustab piire "bensiini omaduste" ja "diislikütuse omaduste" vahel. Kaasaegsed bensiinimootorid kasutavad efektiivsuse parandamiseks ja kütusekulu vähendamiseks sageli otsesissepritset ja turboülelaadimist, kuigi see võib suurendada tahkete osakeste hulka ja vajada filtreid. Samal ajal kasutavad tänapäevased diiselmootorid põlemise optimeerimiseks mitmeastmelist sissepritse juhtimist ja muutuva turboülelaadimist.
Termodünaamilistes uuringutes analüüsitakse tänapäevaseid mootoreid sageli kahetsüklilistena: soojuse lisandumine toimub osaliselt konstantsel mahul ja osaliselt konstantsel rõhul. See mudel on realistlikum tegeliku põlemise kirjeldamiseks, mis ei vasta täielikult Otto või Diisli eeldustele.
Järeldus
Diisel- ja bensiinimootorite termodünaamilised uuringud näitavad, et erinevad süüte- ja segu moodustamise meetodid annavad tulemuseks erinevad ideaaltsüklid: Otto (konstantne maht) bensiini jaoks ja diisel (konstantne rõhk) diiselmootori jaoks. Kuigi ideaalne Otto tsükkel võib sama surveastme juures olla efektiivsem, on diiselmootorid praktikas sageli efektiivsemad tänu oma võimele kasutada kõrgemaid surveastmeid ja vähendada pumpamiskadusid osakoormusel. Efektiivsus ei ole aga iseseisev lähenemisviis: heitkogused, pöördemomendi omadused, süsteemi kulud ja hooldusnõuded on kõik rakenduse määravad tegurid. Tänu tänapäevastele tehnoloogiatele, nagu otsesissepritse, turboülelaadimine, EGR ja järeltöötlus, on nüüd saadaval mõlemat tüüpi mootorid. Mootor areneb jätkuvalt uue optimumi poole – suurendades termilist efektiivsust. vähendades samal ajal heitkoguseid – nii et termodünaamika mõistmine jääb oluliseks aluseks sisepõlemismootorite projekteerimisel ja jõudluse hindamisel.
