Dizel dvigatellari va benzinli dvigatellar bo'yicha termodinamik tadqiqot
Pendahuluan
Ichki yonish dvigateli yoqilg'ining kimyoviy energiyasini silindr ichida yonish orqali mexanik energiyaga aylantiradigan asosiy texnologiyadir. Avtomobillarda va turli sanoat qo'llanmalarida ishlatiladigan eng keng tarqalgan ikkita turi benzinli (uchqunli ateşleme/SI) dvigatel va dizel (siqishni ateşleme/SI) dvigatelidir. Ikkalasi ham to'rt taktli siklga (ko'plab dizaynlarda) va asosiy termodinamik tamoyillarga tayansa-da, aralashma hosil bo'lishi, ateşleme usuli, yonish xususiyatlari va natijada samaradorlikda muhim farqlar mavjud. Termodinamikani o'rganish bizga nima uchun dizel dvigatellari samaraliroq bo'lishini, nima uchun benzinli dvigatellar turli xil javob va aylanish xususiyatlariga ega ekanligini va siqilish nisbati, harorat, bosim va yo'qotishlar kabi parametrlar ishlashni qanday belgilashini tushunishga yordam beradi.
Ichki yonish dvigatellarining asosiy termodinamikasi
Ideal holda, dvigatelning ishlashi ko'pincha real hayot jarayonini soddalashtiradigan ideallashtirilgan termodinamik sikl orqali tahlil qilinadi. Maqsad yonish tafsilotlarini aniq takrorlash emas, balki dizayn o'zgaruvchilarining samaradorlikka ta'sirini baholash uchun asos yaratishdir. Ushbu tadqiqotdagi asosiy miqdorlar quyidagilarni o'z ichiga oladi:
1. Siqish nisbati (r): piston pastki o'lik markazda bo'lgandagi silindr hajmining yuqori o'lik markazdagi hajmga nisbati. Siqish nisbati yakuniy siqilish harorati va bosimiga ta'sir qiladi va shu bilan samaradorlikni sezilarli darajada belgilaydi.
2. Issiqlik kiritish (Q_in) va issiqlik chiqarish (Q_out): ideal sikl konsepsiyasida issiqlik kiritish yonish (yoki issiqlik qo'shilishi) paytida va issiqlik chiqarish issiqlikni rad etish paytida sodir bo'ladi.
3. Tarmoq ishi (W_net): kengaytirish ishi va siqish ishi o'rtasidagi farq.
4. Issiqlik samaradorligi (η_th): sof ishning issiqlik kiritishga nisbati, ya'ni η_th = W_net / Q_in.
5. Termodinamikaning birinchi qonuni: tizimdagi energiya o'zgarishi issiqlik va ish bilan bog'liq. Ideal yopiq siklda sof ish issiqlik kirishi va issiqlik chiqishi o'rtasidagi farqga teng.
Amalda, ishqalanish, silindr devorlariga issiqlik o'tkazilishi, to'liq bo'lmagan yonish, nasos yo'qotishlari, shuningdek, chiqindi gaz va sovutish tizimi omillari tufayli haqiqiy samaradorlik har doim idealdan past bo'ladi.
Benzinli dvigatelning ideal aylanishi: Otto aylanishi
Ideal benzinli dvigatel Otto sikli bilan ifodalanadi, agar issiqlik qo'shilishi doimiy hajmda sodir bo'lsa. Ideal Otto siklining asosiy bosqichlari quyidagilar:
1. Izentropik siqish: havo-yoqilg'i aralashmasi issiqlik o'tkazmasdan siqiladi (ideal).
2. Doimiy hajmli issiqlik qo'shilishi: yonish tez sodir bo'ladi deb taxmin qilinadi, shuning uchun hajm doimiy bo'lib qoladi.
3. Izentropik kengayish: yonish gazi kengayadi, pistonni itaradi va ish hosil qiladi.
4. Doimiy hajmli issiqlik rad etilishi: issiqlik rad etiladi va sikl dastlabki holatiga qaytadi.
Ideal Otto siklining issiqlik samaradorligini siqish nisbatining funksiyasi sifatida yozish mumkin:
\[
\eta_{Otto} = 1 – \frac{1}{r^{\gamma – 1}}
\]
bu yerda γ solishtirma issiqlik nisbati (Cp/Cv). Bu tenglama shuni ko'rsatadiki, siqilish nisbatini oshirish samaradorlikni oshiradi. Biroq, benzinli dvigatellar taqillatish (detonatsiya) bilan cheklangan, bu yuqori harorat va bosim tufayli nazoratsiz yonish bo'lib, uchqun shamchasi barqaror alanga frontini hosil qilishdan oldin aralashmaning bir qismini yoqib yuboradi. Shuning uchun, benzinli dvigatellarning siqilish nisbati odatda dizel dvigatellarinikidan pastroq.
Ideal dizel dvigatelining aylanishi: dizel aylanishi
Ideal dizel dvigateli dizel sikli bilan ifodalanadi, asosiy farq shundaki, issiqlik qo'shilishi dastlabki kengayish zarbasi paytida yonilg'i quyish natijasida doimiy (yoki deyarli doimiy) bosimda sodir bo'ladi deb taxmin qilinadi. Ideal dizel siklining bosqichlari quyidagilar:
1. Izentropik siqish: faqat havo juda yuqori haroratgacha siqiladi.
2. Doimiy bosimli issiqlik qo'shilishi: yoqilg'i quyiladi va yoqiladi, jarayonning bir qismida nisbatan doimiy bosim saqlanib qoladi.
3. Izentropik kengayish: issiq gaz kengayadi va ish hosil qiladi.
4. Doimiy hajmli issiqlik tarqalishi: issiqlik boshlang'ich holatga qaytish uchun rad etiladi.
Ideal dizel siklining samaradorligi siqish nisbati va kesish nisbatiga (ρ) bog'liq bo'lib, bu oxirgi issiqlik qo'shilish hajmining dastlabki issiqlik qo'shilish hajmiga nisbati hisoblanadi. Umuman olganda, bir xil siqish nisbati uchun Otto samaradorligi ideal dizelnikiga qaraganda yuqoriroq bo'ladi. Biroq, haqiqat buning aksi: dizel dvigatellari ko'pincha samaraliroq, chunki ular yuqori siqish nisbatlaridan foydalanishi va kichikroq gaz chiqarish yo'qotishlari bilan ishlashi mumkin.
Termodinamik taqqoslash: Nima uchun dizel samaraliroq?
Amaliy termodinamika nuqtai nazaridan, bir nechta jiddiy sabablar mavjud:
1. Dizelda yuqori siqish nisbati
Dizel dvigatellari faqat havoni siqib chiqaradi, shuning uchun taqillatish benzinli dvigatellardagi kabi muhim cheklov emas. Dizelning siqish nisbati ancha yuqori bo'lishi mumkin, bu esa siqish oxirida yuqori haroratga, oson yonishga va samaradorlikning oshishiga olib keladi.
2. Qisman yuklanishda gaz pedalisiz ishlash
Ko'pgina benzinli dvigatellar quvvatni kirish havosi oqimini cheklaydigan gaz bilan boshqaradi. Bu, ayniqsa, yengil yuklamalarda nasos yo'qotishlariga olib keladi. Dizel dvigatellari odatda quvvatni AOK qilingan yoqilg'i miqdori bo'yicha boshqaradi, shu bilan birga ortiqcha havoni ushlab turadi, bu esa nasos yo'qotishlarining kamayishiga va qisman samaradorlikning yaxshilanishiga olib keladi.
3. Yonish xususiyatlari va havo-yoqilg'i nisbati
Dizel dvigatellari odatda juda oz miqdorda aralashmada ishlaydi, bu esa ma'lum sharoitlarda eng past haroratni ta'minlaydi va issiqlik yo'qotilishini kamaytiradi. Biroq, dizel shuningdek, nazoratni talab qiladigan zarrachalar (kuyik) va NOx chiqindilari bilan bog'liq muammolarni ham keltirib chiqaradi.
4. Yoqilg'ining kalorifik qiymati va energiya zichligi
Dizel yoqilg'isi benzinga qaraganda yuqori hajmli energiya zichligiga ega. Issiqlik samaradorligi alohida tushuncha bo'lib qolsa-da, bu omil har bir kilometr va litr uchun yoqilg'i sarfiga ta'sir qiladi, bu ko'pincha dizelni "samaradorroq" ko'rinishga keltiradi.
Haqiqiy jarayon jihatlari: ideal sikldan haqiqiy siklga
Ideal Otto va Dizel sikllari izentropik jarayon va "toza" issiqlik qo'shilishini nazarda tutadi. Haqiqiy dvigatellar sezilarli og'ishlarni boshdan kechiradi, jumladan:
– Silindr devoriga issiqlik o'tkazilishi ishchi gaz haroratini pasaytiradi, natijada kengaytirish ishlari kamayadi.
– Piston halqalari, podshipniklari va klapan mexanizmi komponentlariga mexanik ishqalanish samarali quvvatni pasaytiradi.
– Yonish davomiyligi: yonish bir zumda sodir bo'lmaydi. Benzinli dvigatellarda yonish uchun bir necha daraja krank mili burchagi talab qilinadi; dizel dvigatellarida esa kechiktirilgan ateşleme va diffuziya yonishi mavjud.
– Oldingi sikldan qolgan gaz keyingi aralashmaning tarkibi va haroratini o'zgartiradi.
– Hajmli samaradorlik kirish/chiqish dizayni va klapan vaqtiga bog'liq bo'lib, kiruvchi havo massasini aniqlaydi va shu bilan quvvat va iste'molga ta'sir qiladi.
Muhandislik tahlilida samaradorlik ko'pincha ko'rsatilgan o'rtacha samarali bosim (IMEP) va tormozning o'rtacha samarali bosimi (BMEP) bilan o'lchanadi. IMEP silindrda bajarilgan termodinamik ishni aks ettiradi, BMEP esa mexanik yo'qotishlarni chiqarib tashlaganidan keyin valda amalda mavjud bo'lgan ishdir. Ikkalasi orasidagi farq mexanik samaradorlik bilan bog'liq.
Emissiyalarga termodinamik ta'sir
Termodinamikani o'rganishni chiqindilarning shakllanishidan ajratib bo'lmaydi, chunki harorat, bosim va aralashmaning tarkibi kimyoviy reaksiyalarni aniqlaydi.
– Benzinli dvigatellar yonish to'liq bo'lmagan taqdirda CO va HC hosil qilishga moyil, ammo aralashma stexiometrikga yaqin bo'lganda uch tomonlama katalizatorlar samarali bo'ladi.
– Dizel dvigatellari NOx (yuqori harorat va ortiqcha kislorod tufayli) va zarrachalar/kuyik (diffuz yonishdagi mahalliy boy zonalar tufayli) ishlab chiqarishga moyil. Samaradorlik va chiqindilarni muvozanatlash uchun EGR (egzoz gazini qayta aylantirish), turbokompressorlash va qayta ishlash (SCR/DPF) kabi strategiyalar qo'llaniladi.
Zamonaviy ishlanmalar: Turbo quvvatlantirish, to'g'ridan-to'g'ri in'ektsiya va aralash sikl
Texnologik yutuqlar "benzin xususiyatlari" va "dizel xususiyatlari" o'rtasidagi chegaralarni xiralashtirmoqda. Zamonaviy benzinli dvigatellar samaradorlikni oshirish va yoqilg'i sarfini kamaytirish uchun ko'pincha to'g'ridan-to'g'ri in'ektsiya va turbokompressordan foydalanadilar, garchi bu zarrachalar miqdorini ko'paytirishi va filtrlarni talab qilishi mumkin. Shu bilan birga, zamonaviy dizel dvigatellari yonishni optimallashtirish uchun ko'p bosqichli in'ektsiya boshqaruvi va o'zgaruvchan turbokompressordan foydalanadilar.
Termodinamik tadqiqotlarda zamonaviy dvigatellar ko'pincha ikki siklli sifatida tahlil qilinadi: issiqlik qo'shilishi qisman doimiy hajmda va qisman doimiy bosimda sodir bo'ladi. Ushbu model Otto yoki Diesel taxminlariga to'liq javob bermaydigan haqiqiy yonishni tasvirlash uchun ko'proq realistikdir.
Xulosa
Dizel va benzinli dvigatellarning termodinamik tadqiqotlari shuni ko'rsatadiki, turli xil ateşleme va aralashma hosil qilish usullari turli xil ideal sikllarga olib keladi: benzin uchun Otto (doimiy hajm) va dizel uchun Dizel (doimiy bosim). Ideal Otto sikli bir xil siqish nisbatida samaraliroq bo'lishi mumkin bo'lsa-da, amalda dizel dvigatellari yuqori siqish nisbatlaridan foydalanish va qisman yuklarda nasos yo'qotishlarini kamaytirish qobiliyati tufayli ko'pincha samaradorlikda ustunlik qiladi. Biroq, samaradorlik mustaqil masala emas: chiqindilar, moment xususiyatlari, tizim xarajatlari va texnik xizmat ko'rsatish talablari qo'llanilishini belgilovchi omillardir. To'g'ridan-to'g'ri in'ektsiya, turbokompressor, EGR va keyingi ishlov berish kabi zamonaviy texnologiyalar bilan ikkala dvigatel turi ham yangi optimal nuqtalarga - chiqindilarni kamaytirish bilan birga issiqlik samaradorligini oshirishga - qarab oldinga siljishda davom etmoqda, shuning uchun termodinamikani tushunish ichki yonish dvigatellarini loyihalash va ishlashni baholash uchun muhim asos bo'lib qolmoqda.
