Термодинамичка студија за дизел мотори и бензински мотори
Пендахулуан
Моторот со внатрешно согорување е клучна технологија што ја претвора хемиската енергија на горивото во механичка енергија преку согорување во цилиндар. Двата најчести типа што се користат во возилата и разни индустриски апликации се бензинскиот (палење со искра/SI) и дизел моторот (палење со компресија/CI). Иако и двата се потпираат на четиритактен циклус (во многу дизајни) и основни термодинамички принципи, постојат важни разлики во формирањето на смесата, методот на палење, карактеристиките на согорување и следствено, ефикасноста. Проучувањето на термодинамиката ни помага да разбереме зошто дизел моторите имаат тенденција да бидат поефикасни, зошто бензинските мотори имаат различни карактеристики на одзив и број на вртежи и како параметри како што се односот на компресија, температурата, притисокот и загубите ги одредуваат перформансите.
Основна термодинамика на мотори со внатрешно согорување
Идеално, перформансите на моторот често се анализираат преку идеализиран термодинамички циклус што го поедноставува процесот во реалниот свет. Целта не е прецизно да се реплицираат деталите на согорувањето, туку да се обезбеди рамка за проценка на влијанието на дизајнерските варијабли врз ефикасноста. Клучните величини во оваа студија вклучуваат:
1. Однос на компресија (r): односот на волуменот на цилиндерот кога клипот е во долната мртва точка кон волуменот во горната мртва точка. Односот на компресија влијае на конечната температура и притисок на компресија, со што во голема мера ја одредува ефикасноста.
2. Влез на топлина (Q_in) и излез на топлина (Q_out): во концептот на идеален циклус, влезот на топлина се јавува за време на согорувањето (или додавањето топлина), а излезот на топлина се јавува за време на отфрлањето на топлината.
3. Мрежна работа (W_net): разликата помеѓу работата на експанзија и работата на компресија.
4. Топлинска ефикасност (η_th): односот на нето работата кон влезната топлина, имено η_th = W_net / Q_in.
5. Прв закон на термодинамика: промените во енергијата во еден систем се поврзани со топлината и работата. Во идеален затворен циклус, нето работата е еднаква на разликата помеѓу влезната и излезната топлина.
Во пракса, вистинската ефикасност е секогаш пониска од идеалната поради триење, пренос на топлина до ѕидовите на цилиндрите, нецелосно согорување, загуби при пумпање, како и фактори поврзани со издувните гасови и системот за ладење.
Идеален циклус на бензински мотор: Ото циклус
Идеалниот бензински мотор е претставен со Отовиот циклус, претпоставувајќи дека додавањето на топлина се случува при константен волумен. Главните фази на идеалниот Отовиот циклус се:
1. Изентропска компресија: смесата воздух-гориво е компресирана без пренос на топлина (идеално).
2. Додавање на топлина со константен волумен: се претпоставува дека согорувањето се случува брзо, така што волуменот останува константен.
3. Изентропско ширење: гасот од согорувањето се шири, туркајќи го клипот и создавајќи работа.
4. Отфрлање на топлина со константен волумен: топлината се одбива и циклусот се враќа во почетната состојба.
Топлинската ефикасност на идеалниот Отоов циклус може да се запише како функција од односот на компресија:
\[
\eta_{Otto} = 1 - \frac{1}{r^{\gamma - 1}}
\]
каде што γ е специфичниот топлински однос (Cp/Cv). Оваа равенка покажува дека зголемувањето на односот на компресија ја зголемува ефикасноста. Сепак, бензинските мотори се ограничени со тропање (детонација), што е неконтролирано согорување поради високи температури и притисоци што предизвикува дел од смесата да се запали пред свеќичката да произведе стабилен фронт на пламен. Затоа, односот на компресија на бензинските мотори е генерално помал од оној на дизел моторите.
Идеален циклус на дизел моторот: Дизел циклус
Идеалниот дизел мотор е претставен со дизел циклусот, со главна разлика што се претпоставува дека додавањето на топлина се случува при константен (или речиси константен) притисок поради вбризгување на гориво за време на почетниот такт на експанзија. Фазите на идеалниот дизел циклус се:
1. Изентропска компресија: само воздухот е компресиран на многу висока температура.
2. Додавање топлина под постојан притисок: горивото се вбризгува и согорува, одржувајќи релативно константен притисок за време на дел од процесот.
3. Изентропско ширење: жешкиот гас се шири и создава работа.
4. Дисипација на топлина со константен волумен: топлината се одбива за да се врати во почетната состојба.
Ефикасноста на идеалниот дизел циклус зависи од односот на компресија и односот на отсекување (ρ), што е односот на конечниот волумен на додадена топлина кон почетниот волумен на додадена топлина. Општо земено, за истиот однос на компресија, Ото ефикасноста има тенденција да биде поголема од онаа на идеалниот дизел. Сепак, реалноста е спротивна: дизел моторите често се поефикасни бидејќи можат да користат повисоки односи на компресија и да работат со помали загуби на гас.
Термодинамичка споредба: Зошто дизелот е поефикасен?
Од гледна точка на применетата термодинамика, постојат неколку убедливи причини:
1. Повисок однос на компресија кај дизелот
Дизел моторите компресираат само воздух, па затоа тропањето не е толку значајно ограничување како кај бензинските мотори. Коефициентите на компресија кај дизел моторите можат да бидат многу повисоки, што резултира со повисоки температури на крајот од компресијата, полесно согорување и зголемена ефикасност.
2. Работа без гас при делумно оптоварување
Многу бензински мотори ја регулираат моќноста со гас што го ограничува протокот на воздух во вшмукувачот. Ова создава загуби во пумпањето, особено при мали оптоварувања. Дизел моторите генерално ја регулираат моќноста според количината на вбризгувано гориво, додека го задржуваат вишокот воздух, што резултира со помали загуби во пумпањето и подобра делумна ефикасност.
3. Карактеристики на согорување и однос воздух-гориво
Дизел моторите обично работат со многу слаба смеса, што овозможува пониски врвни температури под одредени услови, намалувајќи ги загубите на топлина. Сепак, дизелот, исто така, претставува предизвици со емисиите на честички (саѓи) и NOx што бараат контрола.
4. Калорична вредност и густина на енергија на горивото
Дизел горивото има поголема волуметриска густина на енергија од бензинот. Иако термичката ефикасност останува посебен концепт, овој фактор влијае на потрошувачката на гориво по километар и по литар, честопати правејќи го дизелот да изгледа по„ефикасен“.
Аспекти на реалниот процес: Од идеален циклус до реален циклус
Идеалните Ото и Дизел циклуси претпоставуваат изентропски процес и „чисто“ додавање на топлина. Моторите во реалниот свет доживуваат значителни отстапувања, вклучувајќи:
– Преносот на топлина до ѕидот на цилиндарот ја намалува температурата на работниот гас, така што се намалува работата на експанзија.
– Механичкото триење на клипните прстени, лежиштата и компонентите на вентилите ја намалува ефективната моќност.
– Времетраење на согорувањето: согорувањето не е моментално. Кај бензинските мотори, согорувањето бара неколку степени на агол на коленестото вратило; кај дизел моторите, има одложено палење и дифузиско согорување.
– Преостанатиот гас од претходниот циклус го менува составот и температурата на следната смеса.
– Волуметриската ефикасност е под влијание на дизајнот на вшмукувачкиот/издувниот систем и времето на вентилите, одредувајќи ја масата на влезниот воздух, а со тоа влијае на моќноста и потрошувачката.
Во инженерската анализа, перформансите често се мерат со означениот среден ефективен притисок (IMEP) и средниот ефективен притисок на сопирачката (BMEP). IMEP ја одразува термодинамичката работа извршена во цилиндарот, додека BMEP е работата што всушност е достапна на вратилото по одземањето на механичките загуби. Разликата помеѓу двете се однесува на механичката ефикасност.
Термодинамичко влијание врз емисиите
Проучувањето на термодинамиката не може да се одвои од формирањето на емисиите бидејќи температурата, притисокот и составот на смесата ги одредуваат хемиските реакции.
– Бензинските мотори имаат тенденција да произведуваат CO и HC ако согорувањето е нецелосно, но тринасочните катализатори се ефикасни кога смесата е блиску до стехиометриската.
– Дизел моторите имаат тенденција да произведуваат NOx (поради високи температури и вишок кислород) и честички/саѓи (поради локалните богати зони при дифузно согорување). Стратегии како што се EGR (рециркулација на издувни гасови), турбо полнење и посттретман (SCR/DPF) се користат за балансирање на ефикасноста и емисиите.
Современи случувања: турбополнење, директно вбризгување и мешан циклус
Технолошкиот напредок ги замаглува границите помеѓу „карактеристиките на бензинот“ и „карактеристиките на дизелот“. Современите бензински мотори често користат директно вбризгување и турбо полнење за да ја подобрат ефикасноста и да ја намалат потрошувачката на гориво, иако ова може да ги зголеми честичките и да бара филтри. Во меѓувреме, современите дизел мотори користат повеќестепена контрола на вбризгување и варијабилно турбо полнење за да го оптимизираат согорувањето.
Во термодинамичките студии, современите мотори често се анализираат како двоен циклус: додавањето топлина се случува делумно при константен волумен и делумно при константен притисок. Овој модел е пореалистичен за опишување на вистинското согорување кое не ги исполнува целосно претпоставките на Ото или Дизел.
Заклучок
Термодинамичките студии на дизел и бензински мотори покажуваат дека различните методи на палење и формирање на смеса резултираат со различни идеални циклуси: Ото (константен волумен) за бензин и дизел (константен притисок) за дизел. Додека идеалниот Ото циклус може да биде поефикасен при ист однос на компресија, дизел моторите во пракса честопати се истакнуваат во ефикасноста поради нивната способност да користат повисоки односи на компресија и да ги намалат загубите при пумпање при делумни оптоварувања. Сепак, ефикасноста не е самостојно прашање: емисиите, карактеристиките на вртежниот момент, трошоците на системот и барањата за одржување се фактори што ја одредуваат примената. Со модерните технологии како што се директно вбризгување, турбо полнење, EGR и посттретман, двата типа мотори продолжуваат да напредуваат кон нови оптимални точки - подобрувајќи ја термичката ефикасност, а истовремено намалувајќи ги емисиите - па затоа разбирањето на термодинамиката останува клучна основа за дизајнот и евалуацијата на перформансите на моторите со внатрешно согорување.
