Դիզելային և բենզինային շարժիչների թերմոդինամիկական ուսումնասիրություն

Դիզելային և բենզինային շարժիչների թերմոդինամիկական ուսումնասիրություն

Պենդահուլուան
Ներքին այրման շարժիչը հիմնական տեխնոլոգիա է, որը վառելիքի քիմիական էներգիան փոխակերպում է մեխանիկական էներգիայի՝ գլանի ներսում այրման միջոցով: Տրանսպորտային միջոցներում և տարբեր արդյունաբերական կիրառություններում օգտագործվող երկու ամենատարածված տեսակներն են բենզինային (կայծային բռնկում/SI) և դիզելային (սեղմման բռնկում/CI) շարժիչները: Չնայած երկուսն էլ հիմնված են չորս հարվածային ցիկլի (շատ նախագծերում) և հիմնական թերմոդինամիկական սկզբունքների վրա, կան կարևոր տարբերություններ խառնուրդի առաջացման, բռնկման մեթոդի, այրման բնութագրերի և, հետևաբար, արդյունավետության մեջ: Թերմոդինամիկայի ուսումնասիրությունը մեզ օգնում է հասկանալ, թե ինչու են դիզելային շարժիչները հակված ավելի արդյունավետ լինել, ինչու են բենզինային շարժիչները տարբեր արձագանքման և պտույտների բնութագրեր, և ինչպես են այնպիսի պարամետրեր, ինչպիսիք են սեղմման հարաբերակցությունը, ջերմաստիճանը, ճնշումը և կորուստները, որոշում կատարողականությունը:

Հիմնական ջերմադինամիկա Ներքին այրման շարժիչ
Իդեալում, շարժիչի աշխատանքը հաճախ վերլուծվում է իդեալականացված թերմոդինամիկ ցիկլի միջոցով, որը պարզեցնում է իրական աշխարհի գործընթացը: Նպատակը այրման մանրամասները ճշգրիտ վերարտադրելը չէ, այլ այն գնահատելու համար շրջանակ ստեղծելը: նախագծային փոփոխականների ազդեցությունը արդյունավետության վրաԱյս ուսումնասիրության մեջ կարևոր քանակությունները ներառում են՝

1. Սեղմման հարաբերակցություն (r). գլանի ծավալի հարաբերությունը, երբ մխոցը գտնվում է ներքևի մեռյալ կենտրոնում, և ծավալը վերին մեռյալ կենտրոնում։ Սեղմման հարաբերակցությունը ազդում է ջերմաստիճան և ճնշում սեղմման ավարտը, ուստի այն իսկապես որոշում է արդյունավետությունը։
2. Ջերմային մուտք (Q_in) և ջերմային ելք (Q_out). իդեալական ցիկլի կոնցեպտում ջերմային մուտքը տեղի է ունենում այրման (կամ ջերմության ավելացման) ընթացքում, իսկ ջերմային ելքը՝ ջերմության հեռացման ընթացքում։
3. Ցանցային աշխատանք (W_net). ընդարձակման և սեղմման աշխատանքի տարբերությունը։
4. Ջերմային արդյունավետություն (η_th). զուտ աշխատանքի և մուտքային ջերմության հարաբերակցությունը, այսինքն՝ η_th = W_net / Q_in:
5. Թերմոդինամիկայի առաջին օրենք. համակարգում էներգիայի փոփոխությունները կապված են ջերմության և աշխատանքի հետ։ Իդեալական փակ ցիկլում զուտ աշխատանքը հավասար է ջերմության մուտքի և ջերմության ելքի տարբերությանը։

Գործնականում, իրական արդյունավետությունը միշտ ցածր է իդեալականից՝ շփման, գլանի պատերին ջերմափոխանցման, թերի այրման, պոմպային կորուստների, ինչպես նաև արտանետվող գազերի և սառեցման համակարգի գործոնների պատճառով։

Բենզինային շարժիչի իդեալական ցիկլը. Օտտոյի ցիկլ
Իդեալական բենզինային շարժիչը ներկայացված է Օտտոյի ցիկլով, ենթադրելով, որ ջերմության ավելացումը տեղի է ունենում հաստատուն ծավալի դեպքում: Իդեալական Օտտոյի ցիկլի հիմնական փուլերն են՝
1. Իզենտրոպիկ սեղմում. օդ-վառելիք խառնուրդը սեղմվում է առանց ջերմափոխանակման (իդեալական):
2. Հաստատուն ծավալի ջերմության ավելացում. ենթադրվում է, որ այրումը տեղի է ունենում արագ, որպեսզի ծավալը մնա հաստատուն։
3. Իզենտրոպ ընդարձակում. այրման գազը ընդարձակվում է՝ մղելով մխոցը և առաջացնելով աշխատանք։
4. Հաստատուն ծավալի ջերմության մերժում. ջերմությունը մերժվում է, և ցիկլը վերադառնում է իր սկզբնական վիճակին։

Իդեալական Օտտոյի ցիկլի ջերմային արդյունավետությունը կարելի է գրել որպես սեղմման հարաբերակցության ֆունկցիա՝
\[
\eta_{Otto} = 1 – \frac{1}{r^{\gamma – 1}}
\]
որտեղ γ-ն տեսակարար ջերմային հարաբերակցությունն է (Cp/Cv): Այս հավասարումից կարելի է տեսնել, որ սեղմման հարաբերակցության մեծացումը բարձրացնել արդյունավետությունըՍակայն բենզինային շարժիչները սահմանափակվում են թակոցով (դետոնացիայով), որը անվերահսկելի այրում է, որը պայմանավորված է բարձր ջերմաստիճան և ճնշում Սա հանգեցնում է խառնուրդի մի մասի ինքնաբռնկմանը, նախքան կայծային մոմը կայուն բոցի ճակատ կառաջացնի։ Հետևաբար, բենզինային շարժիչների սեղմման հարաբերակցությունը, որպես կանոն, ավելի ցածր է, քան դիզելային շարժիչներինը։

Դիզելային շարժիչի իդեալական ցիկլ. Դիզելային ցիկլ
Իդեալական դիզելային շարժիչը ներկայացված է դիզելային ցիկլով, որի հիմնական տարբերությունն այն է, որ ջերմության ավելացումը ենթադրվում է, որ տեղի է ունենում հաստատուն (կամ գրեթե հաստատուն) ճնշման դեպքում՝ պայմանավորված վառելիքի ներարկում սկզբնական ընդարձակման հարվածի ընթացքում: Դիզելային ցիկլի իդեալական փուլերն են՝
1. Իզենտրոպային սեղմում. միայն օդը սեղմվում է շատ բարձր ջերմաստիճանում։
2. Ջերմության անընդհատ ավելացում ճնշման տակ. վառելիքը ներարկվում և այրվում է՝ պահպանելով համեմատաբար հաստատուն ճնշում գործընթացի մի մասի ընթացքում։
3. Իզենտրոպ ընդարձակում. տաք գազը ընդարձակվում է և աշխատանք է առաջացնում։
4. Հաստատուն ծավալի ջերմության ցրում. ջերմությունը մերժվում է՝ սկզբնական վիճակին վերադառնալու համար։

Իդեալական դիզելային ցիկլի արդյունավետությունը կախված է սեղմման հարաբերակցությունից և սահմանային հարաբերակցությունից (ρ), որը վերջնական ջերմային ավելացման ծավալի և սկզբնական ջերմային ավելացման ծավալի հարաբերությունն է։ Ընդհանուր առմամբ, նույն սեղմման հարաբերակցության դեպքում Օտտոյի արդյունավետությունը հակված է ավելի բարձր լինել, քան իդեալական դիզելինը։ Սակայն իրականությունը հակառակն է. դիզելային շարժիչները հաճախ ավելի արդյունավետ են, քանի որ կարող են օգտագործել ավելի բարձր սեղմման հարաբերակցություններ և աշխատել ավելի փոքր գազի կորստի դեպքում։

Թերմոդինամիկ համեմատություն. Ինչո՞ւ է դիզելային վառելիքն ավելի արդյունավետ։
Կիրառական թերմոդինամիկայի տեսանկյունից կան մի քանի համոզիչ պատճառներ.

1. Դիզելային շարժիչի ավելի բարձր սեղմման հարաբերակցություն
Դիզելային շարժիչները սեղմում են միայն օդ, ուստի թակոցը այնքան էլ էական սահմանափակում չէ, որքան բենզինային շարժիչների դեպքում է։ Դիզելային շարժիչների սեղմման հարաբերակցությունը կարող է շատ ավելի բարձր լինել, ինչը հանգեցնում է սեղմման վերջում ավելի բարձր ջերմաստիճանների, ավելի հեշտ այրման և արդյունավետության բարձրացման։

2. Աշխատանք առանց գազի մասնակի բեռի դեպքում
Բենզինային շարժիչների մեծ մասը հզորությունը կարգավորում է գազի միջոցով, որը սահմանափակում է ներածման օդային հոսքը: Սա ստեղծում է պոմպային կորուստներ, հատկապես թեթև բեռնվածության դեպքում: Դիզելային շարժիչները սովորաբար հզորությունը կարգավորում են ներարկված վառելիքի քանակի համաձայն՝ պահպանելով ավելորդ օդը, ինչը հանգեցնում է պոմպային կորուստների նվազմանը և մասնակի արդյունավետության բարձրացմանը:

3. Այրման բնութագրերը և օդ-վառելիք հարաբերակցությունը
Դիզելային շարժիչները սովորաբար աշխատում են շատ նիհար խառնուրդով, ինչը որոշակի պայմաններում թույլ է տալիս ունենալ ավելի ցածր գագաթնակետային ջերմաստիճաններ, նվազեցնելով ջերմային կորուստները: Այնուամենայնիվ, դիզելային վառելիքը նաև խնդիրներ է առաջացնում մասնիկային նյութերի (մուր) և NOx արտանետումների հետ, որոնք պահանջում են վերահսկողություն:

4. Վառելիքի կալորիականությունը և էներգիայի խտությունը
Դիզելային վառելիքն ունի ավելի բարձր ծավալային էներգիայի խտություն, քան բենզինը։ Թեև ջերմային արդյունավետությունը մնում է առանձին հասկացություն, այս գործոնը ազդում է վառելիքի սպառման վրա մեկ կիլոմետրի և մեկ լիտրի համար, հաճախ դիզելային վառելիքը դարձնելով ավելի «արդյունավետ»։

Իրական գործընթացի ասպեկտներ. իդեալական ցիկլից մինչև իրական ցիկլ
Հեծանիվ Օտտո և Դիզել Իդեալական տարբերակը ենթադրում է իզենտրոպիկ պրոցես և «մաքուր» ջերմության ավելացում: Իրական շարժիչները մեծ շեղումներ են ունենում, այդ թվում՝

– Գլանի պատին ջերմափոխանցումը նվազեցնում է աշխատանքային գազի ջերմաստիճանը, ուստի նվազում է ընդարձակման աշխատանքը։
– Մխոցային օղակների, կրողակալների և փականային համակարգի բաղադրիչների վրա մեխանիկական շփումը նվազեցնում է արդյունավետ հզորությունը։
– Այրման տևողությունը. այրումը ակնթարթային չէ: Բենզինային շարժիչներում այրման համար անհրաժեշտ է շարժիչի ...
– Նախորդ ցիկլից մնացած գազը փոխում է հաջորդ խառնուրդի կազմը և ջերմաստիճանը։
– Ծավալային արդյունավետությունը կախված է ներմղման/արտանետման խողովակների նախագծումից և փականի ժամանակից, որոշելով մտնող օդի զանգվածը, այդպիսով ազդելով հզորության և սպառման վրա։

Ինժեներական վերլուծության մեջ կատարողականությունը հաճախ չափվում է նշված միջին արդյունավետ ճնշմամբ (IMEP) և արգելակի միջին արդյունավետ ճնշմամբ (BMEP): IMEP-ը արտացոլում է մխոցում կատարված ջերմադինամիկական աշխատանքը, մինչդեռ BMEP-ը մեխանիկական կորուստները հանելուց հետո լիսեռում իրականում առկա աշխատանքն է: Երկուսի միջև տարբերությունը վերաբերում է մեխանիկական արդյունավետությանը:

Ջերմադինամիկական ազդեցությունը արտանետումների վրա
Թերմոդինամիկական ուսումնասիրություն չի կարող առանձնացվել արտանետումների առաջացումից, քանի որ ջերմաստիճանը, ճնշումը և խառնուրդի բաղադրությունը որոշում են քիմիական ռեակցիան։

– Բենզինային շարժիչները հակված են CO և HC արտադրելու, եթե այրումը թերի է, սակայն եռակողմ կատալիզատորները արդյունավետ են, երբ խառնուրդը մոտ է ստեխիոմետրիկին։
– Դիզելային շարժիչները հակված են NOx (բարձր ջերմաստիճանների և թթվածնի ավելցուկի պատճառով) և մասնիկներ/մուր (տարածված այրման տեղային հարուստ գոտիների պատճառով): Արդյունավետությունը և արտանետումները հավասարակշռելու համար օգտագործվում են այնպիսի ռազմավարություններ, ինչպիսիք են EGR-ը (արտանետվող գազերի շրջանառություն), տուրբո լիցքավորումը և հետմշակումը (SCR/DPF):

Ժամանակակից զարգացումներ՝ տուրբո լիցքավորում, ուղղակի ներարկում և խառը ցիկլ
Տեխնոլոգիական առաջընթացը մշուշոտում է «բենզինի բնութագրերի» և «դիզելային բնութագրերի» միջև եղած սահմանները։ Ժամանակակից բենզինային շարժիչները հաճախ օգտագործում են ուղղակի ներարկում և տուրբո լիցքավորում՝ արդյունավետությունը բարելավելու և վառելիքի սպառումը նվազեցնելու համար, չնայած դա կարող է մեծացնել մասնիկային նյութը և պահանջել ֆիլտրեր։ Միևնույն ժամանակ, ժամանակակից դիզելային շարժիչները օգտագործում են բազմաստիճան ներարկման կառավարում և փոփոխական տուրբո լիցքավորում՝ այրումը օպտիմալացնելու համար։
Ջերմադինամիկական ուսումնասիրություններում ժամանակակից շարժիչները հաճախ վերլուծվում են որպես կրկնակի ցիկլ. ջերմության ավելացումը տեղի է ունենում մասամբ հաստատուն ծավալի և մասամբ հաստատուն ճնշման դեպքում: Այս մոդելն ավելի իրատեսական է իրական այրումը նկարագրելու համար, որը լիովին չի համապատասխանում Օտտոյի կամ Դիզելային ենթադրություններին:

Եզրակացություն
Դիզելային և բենզինային շարժիչների թերմոդինամիկական ուսումնասիրությունները ցույց են տալիս, որ տարբեր բռնկման և խառնուրդի ձևավորման մեթոդները հանգեցնում են տարբեր իդեալական ցիկլերի՝ Օտտո (հաստատուն ծավալ) բենզինի համար և դիզելային (հաստատուն ճնշում) դիզելայինի համար: Մինչդեռ իդեալական Օտտո ցիկլը կարող է ավելի արդյունավետ լինել նույն սեղմման հարաբերակցության դեպքում, դիզելային շարժիչները գործնականում հաճախ գերազանցում են իրենց արդյունավետությամբ՝ ավելի բարձր սեղմման հարաբերակցություններ օգտագործելու և մասնակի բեռների դեպքում պոմպային կորուստները նվազեցնելու ունակության շնորհիվ: Այնուամենայնիվ, արդյունավետությունը ինքնուրույն մոտեցում չէ. արտանետումները, պտտող մոմենտի բնութագրերը, համակարգի ծախսերը և սպասարկման պահանջները բոլորն էլ որոշիչ գործոններ են կիրառման համար: Ժամանակակից տեխնոլոգիաների շնորհիվ, ինչպիսիք են ուղղակի ներարկումը, տուրբո լիցքավորումը, EGR-ը և հետմշակումը, երկու տեսակի շարժիչներն էլ այժմ հասանելի են: Շարժիչը շարունակում է զարգանալ դեպի նոր օպտիմալ՝ ջերմային արդյունավետության բարձրացում։ միաժամանակ նվազեցնելով արտանետումները, այնպես որ թերմոդինամիկայի ըմբռնումը մնում է կարևոր հիմք ներքին այրման շարժիչների նախագծման և աշխատանքի գնահատման գործում։