Haʻawina Thermodynamic ma nā ʻenekini Diesel a me nā ʻenekini Gasoline
Pendahuluan
ʻO ka mīkini kuni kūloko kahi ʻenehana koʻikoʻi e hoʻololi i ka ikehu kemika o kahi wahie i ikehu mechanical ma o ke kuni ʻana i loko o kahi cylinder. ʻO nā ʻano ʻelua i hoʻohana nui ʻia i nā kaʻa a me nā noi ʻoihana like ʻole, ʻo ia ka mīkini gasoline (spark ignition/SI) a me ka mīkini diesel (compression ignition/CI). ʻOiai ʻo nā mea ʻelua e hilinaʻi nei i kahi pōʻaiapuni ʻehā-stroke (ma nā hoʻolālā he nui) a me nā loina thermodynamic kumu, aia nā ʻokoʻa koʻikoʻi i ka hoʻokumu ʻana o ka hui ʻana, ke ʻano hoʻā ʻana, nā ʻano kuni, a me ka hopena, ka pono. Kōkua ke aʻo ʻana i ka thermodynamics iā mākou e hoʻomaopopo i ke kumu e ʻoi aku ai ka maikaʻi o nā mīkini diesel, no ke aha he ʻokoʻa nā ʻano pane a me ka rev o nā mīkini gasoline, a pehea e hoʻoholo ai nā palena e like me ka lakio compression, ka mahana, ke kaomi, a me nā pohō i ka hana.
Thermodynamics kumu o nā mīkini puhi kūloko
ʻO ke kūpono, ua kālailai pinepine ʻia ka hana ʻenekini ma o kahi pōʻaiapuni thermodynamic kūpono e hoʻomaʻalahi ana i ke kaʻina hana o ke ao maoli. ʻAʻole ka pahuhopu e hana hou i nā kikoʻī o ke kuni ʻana, akā, e hāʻawi i kahi ʻōnaehana no ka loiloi ʻana i ka mana o nā loli hoʻolālā ma ka pono. ʻO nā nui koʻikoʻi i loko o kēia haʻawina:
1. Laki hoʻopili (r): ka lakio o ka nui o ka cylinder i ka wā e kū ai ka piston ma ke kikowaena make lalo i ka nui ma ke kikowaena make luna. Hoʻopilikia ka lakio hoʻopili i ka mahana a me ke kaomi hoʻopili hope loa, no laila e hoʻoholo nui ai i ka pono.
2. Ka hoʻokomo wela (Q_in) a me ka hoʻopuka wela (Q_out): ma ke kumumanaʻo pōʻaiapuni kūpono, loaʻa ka hoʻokomo wela i ka wā o ke kuni ʻana (a i ʻole ka hoʻohui wela) a loaʻa ka hoʻopuka wela i ka wā o ka hōʻole ʻana i ka wela.
3. Hana ʻupena (W_net): ka ʻokoʻa ma waena o ka hana hoʻonui a me ka hana hoʻopili.
4. Ka pono wela (η_th): ka lakio o ka hana upena i ka hoʻokomo wela, ʻo ia hoʻi ʻo η_th = W_net / Q_in.
5. Ke Kānāwai Mua o Thermodynamics: pili nā loli o ka ikehu i loko o kahi ʻōnaehana i ka wela a me ka hana. I loko o kahi pōʻaiapuni pani kūpono, ua like ka hana ʻupena me ka ʻokoʻa ma waena o ka hoʻokomo wela a me ka hoʻopuka wela.
I ka hana maoli, ʻoi aku ka haʻahaʻa o ka pono maoli ma mua o ke kūpono ma muli o ka friction, ka hoʻoili wela i nā paia cylinder, ka puhi ʻole ʻana, nā pohō pamu, a me nā kumu kinoea hoʻopau a me ka ʻōnaehana hoʻomaʻalili.
Kaʻapuni Kūpono o ka ʻenekini kinoea: Kaʻapuni Otto
Hōʻike ʻia ka ʻenekini gasoline kūpono e ka pōʻaiapuni Otto, me ka manaʻo e hana ʻia ka hoʻohui wela ma ka nui mau. ʻO nā pae nui o ka pōʻaiapuni Otto kūpono:
1. Hoʻopili isentropic: ua hoʻopili ʻia ka hui ʻana o ka ea-wahie me ka ʻole o ka hoʻoili wela (kūpono).
2. Hoʻohui ʻia ka wela o ka leo mau: ua manaʻo ʻia e hana koke ʻia ke ahi i mau ai ka leo.
3. Hoʻonui isentropic: hoʻonui ke kinoea puhi, e paʻi ana i ka piston a hana i ka hana.
4. Ka hōʻole ʻana i ka wela o ka leo mau: ua hōʻole ʻia ka wela a hoʻi ke kaʻapuni i kona kūlana mua.
Hiki ke kākau ʻia ka pono wela o ke kaʻina hana Otto kūpono ma ke ʻano he hana o ka lakio compression:
\[
\eta_{Otto} = 1 – \frac{1}{r^{\gamma – 1}}
\]
kahi ʻo γ ka lakio wela kikoʻī (Cp/Cv). Hōʻike kēia kaulike e hoʻonui ka hoʻonui ʻana i ka lakio compression i ka pono. Eia nō naʻe, ua kaupalena ʻia nā ʻenekini gasoline e ke kīkēkē ʻana (detonation), ʻo ia ka puhi ʻana i kāohi ʻole ʻia ma muli o nā mahana kiʻekiʻe a me nā kaomi e hoʻāla ai kekahi o ka hui ʻana ma mua o ka hoʻopuka ʻana o ka spark plug i kahi lapalapa paʻa. No laila, ʻoi aku ka haʻahaʻa o ka lakio compression o nā ʻenekini gasoline ma mua o nā ʻenekini diesel.
Kaʻapuni ʻenekini Diesel kūpono: Kaʻapuni Diesel
Hōʻike ʻia ka mīkini diesel kūpono e ke kaʻina hana Diesel, me ka ʻokoʻa nui ʻo ia ka manaʻo ʻia e hana ʻia ka hoʻohui ʻana o ka wela ma ke kaomi mau (a kokoke paha i ka mau) ma muli o ka hoʻokomo ʻana o ka wahie i ka wā o ka hoʻonui mua ʻana. ʻO nā pae o ke kaʻina hana Diesel kūpono:
1. Kaomi isentropic: ua kaomi ʻia ka ea wale nō i kahi mahana kiʻekiʻe loa.
2. Hoʻohui ʻia ka wela o ke kaomi mau: hoʻokomo ʻia ka wahie a puhi ʻia, e mālama ana i kahi kaomi mau i ka wā o ke kaʻina hana.
3. Hoʻonui isentropic: hoʻonui ke kinoea wela a hoʻopuka i ka hana.
4. Ka hoʻopuehu ʻana o ka wela mau: ua hōʻole ʻia ka wela e hoʻi i ke kūlana mua.
ʻO ka pono o kahi pōʻaiapuni Diesel kūpono e pili ana i ka lakio compression a me ka lakio cut-off (ρ), ʻo ia ka lakio o ka nui hoʻohui wela hope loa i ka nui hoʻohui wela mua. Ma keʻano laulā, no ka lakio compression like, ʻoi aku ka kiʻekiʻe o ka pono o Otto ma mua o kahi Diesel kūpono. Eia nō naʻe, ʻo ka ʻoiaʻiʻo ke kū'ē: ʻoi aku ka maikaʻi o nā mīkini diesel no ka mea hiki iā lākou ke hoʻohana i nā lakio compression kiʻekiʻe a hana me nā pohō throttling liʻiliʻi.
Hoʻohālikelike Thermodynamic: No ke aha i ʻoi aku ai ka maikaʻi o ka Diesel?
Mai kahi ʻano thermodynamics i hoʻopili ʻia, aia kekahi mau kumu hoʻoikaika nui:
1. ʻOi aku ka nui o ka lakio compression ma ka diesel
ʻO nā ʻenekini diesel wale nō ke kaomi ʻana i ka ea, no laila ʻaʻole ia he palena koʻikoʻi e like me nā ʻenekini gasoline. Hiki ke kiʻekiʻe loa nā lakio kaomi diesel, e hopena ana i nā mahana kiʻekiʻe o ka hopena o ka kaomi ʻana, ka maʻalahi o ke kuni ʻana, a me ka hoʻonui ʻana i ka pono.
2. Hana me ka ʻole o ka throttle ma ka ukana hapa
Hoʻoponopono ka nui o nā ʻenekini gasoline i ka mana me kahi throttle e kāohi ana i ke kahe ʻana o ka ea. Hoʻokumu kēia i nā pohō pamu, ʻoiai ma nā ukana māmā. Hoʻoponopono pinepine nā ʻenekini diesel i ka mana ma o ka nui o ka wahie i hoʻokomo ʻia, me ka mālama ʻana i ka ea keu, e hopena ana i nā pohō pamu haʻahaʻa a me ka pono hapa maikaʻi.
3. Nā ʻano puhi ʻana a me ka lakio ea-wahie
Hana pinepine nā ʻenekini diesel i kahi hui lahilahi loa, e ʻae ana i nā mahana kiʻekiʻe haʻahaʻa ma lalo o kekahi mau kūlana, e hōʻemi ana i ka nalowale o ka wela. Eia nō naʻe, hōʻike pū ka diesel i nā pilikia me nā mea particulate (soot) a me nā hoʻokuʻu NOx e pono ai ke kaohi.
4. Ka waiwai calorie a me ka nui o ka ikehu o ka wahie
ʻOi aku ka nui o ka ikehu volumetric o ka wahie diesel ma mua o ka gasoline. ʻOiai ʻo ka pono o ka thermal he manaʻo ʻokoʻa ia, hoʻopilikia kēia mea i ka hoʻohana ʻana i ka wahie no kēlā me kēia kilomita a me kēlā me kēia lita, e hoʻolilo pinepine ana i ka diesel i ʻoi aku ka "maikaʻi."
Nā ʻAno Hana Maoli: Mai ke Kaʻapuni Kūpono a i ke Kaʻapuni Maoli
Manaʻo nā pōʻaiapuni Otto a me Diesel kūpono i kahi kaʻina hana isentropic a me ka hoʻohui wela "maʻemaʻe". ʻIke nā ʻenekini honua maoli i nā ʻokoʻa koʻikoʻi, me:
– Hoʻemi ka hoʻoili wela i ka paia o ke kinikini i ka mahana o ke kinoea hana i mea e hōʻemi ʻia ai ka hana hoʻonui.
– ʻO ka haʻalulu mīkini ma nā apo piston, nā bearings, a me nā ʻāpana valvetrain e hōʻemi ana i ka mana pono.
– Ka lōʻihi o ke kuni ʻana: ʻaʻole koke ka kuni ʻana. I loko o nā mīkini ʻaila, pono ke kuni ʻana i kekahi mau kekelē o ke kihi crankshaft; i loko o nā mīkini diesel, aia ka hoʻā ʻana i ka wā lohi a me ka diffusion combustion.
– Hoʻololi ke kinoea i koe mai ke kaʻina hana ma mua i ka haku mele a me ka mahana o ka hui ʻana ma hope.
- Hoʻopili ʻia ka pono volumetric e ka hoʻolālā intake/exhaust a me ka manawa valve, e hoʻoholo ana i ka nui o ka ea e komo ana, a pēlā e hoʻopilikia ai i ka mana a me ka hoʻohana ʻana.
I ka loiloi ʻenekinia, ana pinepine ʻia ka hana e ke kaomi kūpono awelika i hōʻike ʻia (IMEP) a me ke kaomi kūpono awelika brake (BMEP). Hōʻike ka IMEP i ka hana thermodynamic i hana ʻia i loko o ka cylinder, ʻoiai ʻo BMEP ka hana i loaʻa maoli ma ke koʻokoʻo ma hope o ka unuhi ʻana i nā pohō mechanical. Pili ka ʻokoʻa ma waena o nā mea ʻelua i ka pono mechanical.
Ka Hopena Thermodynamic ma nā Hoʻokuʻu ʻana
ʻAʻole hiki ke hoʻokaʻawale ʻia ke aʻo ʻana o ka thermodynamics mai ka hoʻokumu ʻia ʻana o nā hoʻokuʻu ʻana no ka mea ʻo ka mahana, ke kaomi, a me ka haku mele ʻana o ka hui ʻana e hoʻoholo ai i nā hopena kemika.
– Hoʻopuka pinepine nā ʻenekini kinoea i ka CO a me ka HC inā ʻaʻole i piha ka puhi ʻana, akā he kūpono nā mea hoʻoulu ʻekolu ala ke kokoke ka hui ʻana i ka stoichiometric.
– Hoʻopuka pinepine nā ʻenekini Diesel i ka NOx (ma muli o ke kiʻekiʻe o ka mahana a me ka oxygen keu) a me nā particulates/soot (ma muli o nā wahi waiwai kūloko i ka diffuse combustion). Hoʻohana ʻia nā hoʻolālā e like me EGR (exhaust gas recirculation), turbocharging, a me aftertreatment (SCR/DPF) e kaulike i ka pono a me nā hoʻokuʻu ʻana.
Nā Hoʻomohala Hou: Turbocharging, Direct Injection, a me Mixed Cycle
Ke hoʻopilikia nei nā holomua ʻenehana i nā laina ma waena o "nā ʻano kinoea" a me "nā ʻano diesel." Hoʻohana pinepine nā ʻenekini kinoea hou i ka injection pololei a me ka turbocharging e hoʻomaikaʻi i ka pono a hōʻemi i ka hoʻohana ʻana i ka wahie, ʻoiai hiki i kēia ke hoʻonui i nā mea particulate a koi i nā kānana. I kēia manawa, hoʻohana nā ʻenekini diesel hou i ka mana injection multi-stage a me ka turbocharging loli e hoʻomaikaʻi i ka puhi ʻana.
I nā haʻawina thermodynamic, ua kālailai pinepine ʻia nā ʻenekini hou ma ke ʻano he pōʻaiapuni pālua: hana ʻia ka hoʻohui wela ma kahi hapa ma ka nui mau a ma kahi hapa ma ke kaomi mau. ʻOi aku ka maoli o kēia kumu hoʻohālike no ka wehewehe ʻana i ka puhi maoli ʻaʻole i hoʻokō piha i nā manaʻo Otto a i ʻole Diesel.
Ka hopena
Hōʻike nā haʻawina thermodynamic o nā mīkini diesel a me ka gasoline e hopena nā ʻano hana hoʻā a me ka hoʻohuihui like ʻole i nā pōʻaiapuni kūpono like ʻole: ʻO Otto (ka nui mau) no ka gasoline a me Diesel (kaomi mau) no ka diesel. ʻOiai hiki i ke kaʻina Otto kūpono ke ʻoi aku ka maikaʻi ma ka lakio compression like, ʻoi aku ka maikaʻi o nā mīkini diesel ma ka hana ma muli o ko lākou hiki ke hoʻohana i nā lakio compression kiʻekiʻe a hōʻemi i nā pohō pumping ma nā ukana hapa. Eia nō naʻe, ʻaʻole he pilikia kū hoʻokahi ka pono: ʻo nā hoʻokuʻu ʻana, nā ʻano torque, nā kumukūʻai ʻōnaehana, a me nā koi mālama ʻana he mau mea āpau e hoʻoholo ai i ka noi. Me nā ʻenehana hou e like me ka injection pololei, turbocharging, EGR, a me ka aftertreatment, ke hoʻomau nei nā ʻano ʻenekini ʻelua i ka holomua i nā wahi kūpono hou - e hoʻomaikaʻi ana i ka pono thermal me ka hoʻemi ʻana i nā hoʻokuʻu - no laila ʻo ka hoʻomaopopo ʻana i ka thermodynamics ke kumu koʻikoʻi no ka hoʻolālā a me ka loiloi hana o nā mīkini puhi kūloko.
