Дизелдик жана бензиндик кыймылдаткычтарды термодинамикалык изилдөө
Pendahuluan
Ички күйүүчү кыймылдаткыч - бул күйүүчү майдын химиялык энергиясын цилиндрдин ичинде күйүү аркылуу механикалык энергияга айландыруучу негизги технология. Унааларда жана ар кандай өнөр жай колдонмолорунда колдонулган эң кеңири таралган эки түрү - бензин (учкун менен от алдыруу/SI) кыймылдаткычы жана дизелдик (кысуу менен от алдыруу/CI) кыймылдаткычы. Экөө тең төрт тактылуу циклге (көптөгөн конструкцияларда) жана негизги термодинамикалык принциптерге таянганы менен, аралашманын пайда болушунда, от алдыруу ыкмасында, күйүү мүнөздөмөлөрүндө жана натыйжада натыйжалуулукта маанилүү айырмачылыктар бар. Термодинамиканы изилдөө бизге дизелдик кыймылдаткычтардын эмне үчүн натыйжалуураак болорун, бензин кыймылдаткычтарынын эмне үчүн ар кандай жооп кайтаруу жана айлануу мүнөздөмөлөрүнө ээ экенин жана кысуу катышы, температура, басым жана жоготуулар сыяктуу параметрлердин иштешин кандайча аныктай турганын түшүнүүгө жардам берет.
Ички күйүүчү кыймылдаткычтардын негизги термодинамикасы
Идеалында, кыймылдаткычтын иштеши көбүнчө реалдуу дүйнөдөгү процессти жөнөкөйлөтүүчү идеалдаштырылган термодинамикалык цикл аркылуу талданат. Максат - күйүүнүн деталдарын так кайталоо эмес, тескерисинче, долбоордук өзгөрмөлөрдүн натыйжалуулукка тийгизген таасирин баалоо үчүн алкак түзүү. Бул изилдөөдөгү негизги чоңдуктар төмөнкүлөрдү камтыйт:
1. Кысуу катышы (r): поршень төмөнкү өлүк борбордо тургандагы цилиндр көлөмүнүн жогорку өлүк борбордогу көлөмгө болгон катышы. Кысуу катышы акыркы кысуу температурасына жана басымына таасир этет, ошентип, натыйжалуулукту чоң деңгээлде аныктайт.
2. Жылуулуктун кириши (Q_in) жана жылуулуктун чыгышы (Q_out): идеалдуу цикл концепциясында жылуулуктун кириши күйүү (же жылуулук кошуу) учурунда, ал эми жылуулуктун чыгышы жылуулукту четке кагуу учурунда пайда болот.
3. Таза жумуш (W_net): кеңейтүү жумушу менен кысуу жумушунун ортосундагы айырма.
4. Жылуулук эффективдүүлүгү (η_th): таза жумуштун жылуулук киргизүүгө болгон катышы, атап айтканда, η_th = W_net / Q_in.
5. Термодинамиканын биринчи закону: системадагы энергиянын өзгөрүшү жылуулук жана жумуш менен байланыштуу. Идеалдуу жабык циклде таза жумуш жылуулуктун кириши менен чыгышынын айырмасына барабар.
Иш жүзүндө, сүрүлүү, цилиндрдин дубалдарына жылуулуктун берилиши, толук эмес күйүү, сордуруу жоготуулары, ошондой эле чыккан газ жана муздатуу системасынын факторлорунан улам иш жүзүндөгү натыйжалуулук ар дайым идеалдуудан төмөн болот.
Бензин кыймылдаткычынын идеалдуу цикли: Отто цикли
Идеалдуу бензин кыймылдаткычы жылуулуктун кошулушу туруктуу көлөмдө болот деп эсептеп, Отто цикли менен көрсөтүлөт. Идеалдуу Отто циклинин негизги этаптары төмөнкүлөр:
1. Изентроптук кысуу: аба-отундун аралашмасы жылуулук өткөрбөстөн кысылат (идеалдуу).
2. Туруктуу көлөмдүк жылуулукту кошуу: күйүү тез жүрөт деп болжолдонот, ошондуктан көлөм туруктуу бойдон калат.
3. Изентропиялык кеңейүү: күйүүчү газ кеңейип, поршенди түртүп, жумуш пайда кылат.
4. Туруктуу көлөмдөгү жылуулукту четке кагуу: жылуулук четке кагылат жана цикл баштапкы абалына кайтат.
Идеалдуу Отто циклинин жылуулук эффективдүүлүгүн кысуу катышынын функциясы катары жазууга болот:
\[
\eta_{Otto} = 1 – \frac{1}{r^{\gamma – 1}}
\]
мында γ - салыштырмалуу жылуулук катышы (Cp/Cv). Бул теңдеме кысуу катышын жогорулатуу натыйжалуулукту жогорулатарын көрсөтүп турат. Бирок, бензин кыймылдаткычтары жогорку температура жана басымдан улам контролсуз күйүү болгон тыкылдатуу (детонация) менен чектелет, бул учкун шамы туруктуу жалын фронтун пайда кылганга чейин аралашманын бир бөлүгүнүн тутанышына алып келет. Ошондуктан, бензин кыймылдаткычтарынын кысуу катышы, адатта, дизелдик кыймылдаткычтарга караганда төмөн.
Идеалдуу дизель кыймылдаткычынын цикли: Дизель цикли
Идеалдуу дизель кыймылдаткычы Дизель цикли менен көрсөтүлөт, анын негизги айырмачылыгы, баштапкы кеңейүү жүрүшү учурунда күйүүчү май куюудан улам жылуулуктун кошулушу туруктуу (же дээрлик туруктуу) басымда болот деп болжолдонот. Идеалдуу дизель циклинин этаптары:
1. Изентропиялык кысуу: аба өзү гана өтө жогорку температурага чейин кысылат.
2. Туруктуу басым менен жылуулук кошуу: күйүүчү май сайылып жана күйгүзүлүп, процесстин бир бөлүгүндө салыштырмалуу туруктуу басым сакталат.
3. Изентропиялык кеңейүү: ысык газ кеңейип, жумуш пайда кылат.
4. Туруктуу көлөмдөгү жылуулуктун бөлүнүп чыгышы: жылуулук баштапкы абалына кайтуу үчүн четке кагылат.
Идеалдуу дизелдик циклдин эффективдүүлүгү кысуу катышына жана кесүү катышына (ρ) көз каранды, ал акыркы жылуулук кошуу көлөмүнүн баштапкы жылуулук кошуу көлөмүнө болгон катышы. Жалпысынан алганда, ошол эле кысуу катышы үчүн, Otto эффективдүүлүгү идеалдуу дизелдикине караганда жогору болот. Бирок, чындыгында тескерисинче: дизелдик кыймылдаткычтар көп учурда эффективдүү, анткени алар жогорку кысуу катыштарын колдоно алышат жана дроссель жоготуулары азыраак болот.
Термодинамикалык салыштыруу: Эмне үчүн дизель эффективдүүрөөк?
Колдонмо термодинамиканын көз карашынан алганда, бир нече орчундуу себептер бар:
1. Дизелде жогорку кысуу катышы
Дизель кыймылдаткычтары абаны гана кысат, андыктан тыкылдатуу бензин кыймылдаткычтарындагыдай олуттуу чектөө эмес. Дизель кыймылдаткычтарынын кысуу катышы бир топ жогору болушу мүмкүн, бул кысуунун аягындагы температуранын жогорулашына, күйүүнүн оңой болушуна жана натыйжалуулуктун жогорулашына алып келет.
2. Жарым-жартылай жүктөмдө дросселсиз иштөө
Көптөгөн бензин кыймылдаткычтары аба агымын чектөөчү дроссель менен кубаттуулукту жөнгө салат. Бул, айрыкча, жеңил жүктөмдөрдө сордуруу жоготууларына алып келет. Дизель кыймылдаткычтары, адатта, ашыкча абаны кармап турганда, сайылган күйүүчү майдын көлөмү менен кубаттуулукту жөнгө салат, бул сордуруу жоготууларын азайтат жана жарым-жартылай натыйжалуулукту жогорулатат.
3. Күйүү мүнөздөмөлөрү жана аба-отундун катышы
Дизель кыймылдаткычтары, адатта, өтө арык аралашмада иштейт, бул белгилүү бир шарттарда эң төмөнкү температурага мүмкүндүк берет жана жылуулук жоготууларын азайтат. Бирок, дизель ошондой эле көзөмөлдөөнү талап кылган бөлүкчөлөр (күйөө) жана NOx бөлүп чыгаруулары менен кыйынчылыктарды жаратат.
4. Отундун калориялык баалуулугу жана энергия тыгыздыгы
Дизель отунунун көлөмдүк энергия тыгыздыгы бензинге караганда жогору. Жылуулуктун эффективдүүлүгү өзүнчө түшүнүк бойдон калса да, бул фактор бир километрге жана бир литрге күйүүчү майдын сарпталышына таасир этет, көп учурда дизельди "натыйжалуураак" кылып көрсөтөт.
Реалдуу процесстин аспектилери: Идеалдуу циклден чыныгы циклге чейин
Идеалдуу Отто жана Дизель циклдери изентропиялык процессти жана "тыкан" жылуулук кошууну болжолдойт. Реалдуу дүйнөдөгү кыймылдаткычтар олуттуу четтөөлөрдү башынан өткөрүшөт, анын ичинде:
– Цилиндрдин дубалына жылуулуктун берилиши жумушчу газдын температурасын төмөндөтөт, ошону менен кеңейүү иши азаят.
– Поршень шакекчелерине, подшипниктерине жана клапан системасынын компоненттерине механикалык сүрүлүү натыйжалуу кубаттуулукту төмөндөтөт.
– Күйүү узактыгы: күйүү заматта болбойт. Бензин кыймылдаткычтарында күйүү үчүн коленвалдын бир нече градус бурчу талап кылынат; дизелдик кыймылдаткычтарда кечигип тутануу жана диффузиялык күйүү болот.
– Мурунку циклден калган газ кийинки аралашманын курамын жана температурасын өзгөртөт.
– Көлөмдүк натыйжалуулукка кирүүчү абанын массасын аныктоочу сордуруу/чыгаруу конструкциясы жана клапандын убактысы таасир этет, ошентип, кубаттуулукка жана керектөөгө таасир этет.
Инженердик анализде көрсөткүчтөр көбүнчө көрсөтүлгөн орточо эффективдүү басым (IMEP) жана тормоздун орточо эффективдүү басымы (BMEP) менен өлчөнөт. IMEP цилиндрде аткарылган термодинамикалык ишти чагылдырат, ал эми BMEP - механикалык жоготууларды алып салгандан кийин валда иш жүзүндө жеткиликтүү болгон жумуш. Экөөнүн ортосундагы айырма механикалык эффективдүүлүккө байланыштуу.
Чыгарууларга термодинамикалык таасир
Термодинамиканы изилдөөнү эмиссиянын пайда болушунан бөлүп кароого болбойт, анткени аралашманын температурасы, басымы жана курамы химиялык реакцияларды аныктайт.
– Бензин кыймылдаткычтары күйүү толук эмес болгондо CO жана HC бөлүп чыгарууга жакын, бирок үч тараптуу катализаторлор аралашма стехиометриялыкка жакын болгондо натыйжалуу болот.
– Дизелдик кыймылдаткычтар NOx (жогорку температура жана ашыкча кычкылтектен улам) жана бөлүкчөлөрдү/күйөөнү (диффузиялык күйүүдөгү жергиликтүү бай зоналардан улам) бөлүп чыгарууга жакын. Натыйжалуулукту жана зыяндуу заттардын бөлүнүп чыгышын тең салмактоо үчүн EGR (чыгарылган газды кайра айландыруу), турбокомпрессордук кубаттоо жана андан кийинки иштетүү (SCR/DPF) сыяктуу стратегиялар колдонулат.
Заманбап иштеп чыгуулар: турбокомпрессордук, түз инжекциялык жана аралаш цикл
Технологиялык жетишкендиктер "бензиндин мүнөздөмөлөрү" менен "дизель мүнөздөмөлөрүнүн" ортосундагы чек араларды жок кылууда. Заманбап бензин кыймылдаткычтары натыйжалуулукту жогорулатуу жана күйүүчү майдын сарпталышын азайтуу үчүн көп учурда түз инжекциялоону жана турбокомпрессорду колдонушат, бирок бул бөлүкчөлөрдүн көбөйүшүнө жана чыпкалардын талап кылынышына алып келиши мүмкүн. Ошол эле учурда, заманбап дизель кыймылдаткычтары күйүүнү оптималдаштыруу үчүн көп баскычтуу инжекциялоону башкарууну жана өзгөрүлмө турбокомпрессорду колдонушат.
Термодинамикалык изилдөөлөрдө заманбап кыймылдаткычтар көбүнчө кош цикл катары талданат: жылуулуктун кошулушу жарым-жартылай туруктуу көлөмдө жана жарым-жартылай туруктуу басымда жүрөт. Бул модель Отто же Дизель божомолдоруна толук жооп бербеген чыныгы күйүүнү сүрөттөө үчүн реалдуураак.
Корутунду
Дизель жана бензин кыймылдаткычтарынын термодинамикалык изилдөөлөрү көрсөткөндөй, ар кандай от алдыруу жана аралашма пайда кылуу ыкмалары ар кандай идеалдуу циклдерге алып келет: бензин үчүн Otto (туруктуу көлөм) жана дизель үчүн Diesel (туруктуу басым). Идеалдуу Otto цикли бир эле кысуу катышында натыйжалуураак болушу мүмкүн болсо да, дизель кыймылдаткычтары иш жүзүндө жогорку кысуу катыштарын колдонуу жана жарым-жартылай жүктөмдөрдө сордуруу жоготууларын азайтуу мүмкүнчүлүгүнөн улам натыйжалуулук жагынан көп учурда жогору турат. Бирок, натыйжалуулук өзүнчө бир маселе эмес: чыгаруулар, момент мүнөздөмөлөрү, системанын чыгымдары жана техникалык тейлөө талаптары - мунун баары колдонууну аныктаган факторлор. Түз инжекция, турбокомпрессор, EGR жана андан кийинки иштетүү сыяктуу заманбап технологиялар менен эки кыймылдаткычтын тең түрү жаңы оптималдуу чекиттерге карай өнүгүп жатат - чыгарууларды азайтуу менен жылуулук натыйжалуулугун жогорулатуу - ошондуктан термодинамиканы түшүнүү ички күйүүчү кыймылдаткычтарды долбоорлоо жана алардын иштешин баалоо үчүн маанилүү негиз бойдон калууда.
