วัฏจักร Otto และวัฏจักรดีเซลคืออะไร และกำหนดได้อย่างไร

ทั้งสองเป็นแบบจำลองทางทฤษฎีที่ใช้เพื่ออธิบายวัฏจักรทางอุณหพลศาสตร์ของแก๊สที่เกิดขึ้น ดำเนินการในเครื่องยนต์สันดาปภายในสี่จังหวะพร้อมการจุดระเบิดด้วยประกายไฟและการจุดระเบิดด้วยตนเอง ตามลำดับ

วัฏจักร Otto มีชื่อมาจากข้อเท็จจริงที่ว่ามันคือ Nikolaus Otto วิศวกรชาวเยอรมัน ซึ่งในปี 1876 ได้พัฒนาสิ่งนี้ เครื่องยนต์สี่จังหวะจุดระเบิดด้วยประกายไฟ ตามรุ่นที่เสนอในปี พ.ศ. 2405 โดย Beau de โรชา. เครื่องยนต์นี้ดำเนินกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์สี่กระบวนการในสองรอบเชิงกล ในส่วนของวงจรดีเซลนั้นได้รับการพัฒนาระหว่างปี 1890 และ 1897 โดย Rudolft Diesel ในเยอรมนีสำหรับบริษัทขนส่ง MAN โดยมี มีความตั้งใจที่จะผลิตเครื่องยนต์ที่มีสมรรถนะสูงกว่าเครื่องยนต์ไอน้ำจากเชื้อเพลิงอื่นที่ให้ประสิทธิภาพสูงกว่า ประสิทธิภาพ การสร้างสรรค์นี้ได้รับการขัดเกลาตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา ตัวอย่างเช่น ในปี 1927 บริษัท BOSH ได้เปิดตัวปั๊ม หัวฉีดสำหรับดีเซลที่ช่วยลดอัตราการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงซึ่งประหยัดกว่ารุ่น น้ำมันเบนซิน

รูปภาพแสดงโครงร่างที่มีองค์ประกอบที่เป็นตัวแทนมากที่สุดซึ่งอธิบายวัฏจักรของอ็อตโต

วงจรดีเซลอธิบายการทำงานของเครื่องยนต์ ECOM (เครื่องยนต์จุดระเบิดด้วยการอัด) ในทางทฤษฎี แผนภาพแสดงคุณลักษณะบางอย่างของวัฏจักรนี้

กระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ของเครื่องยนต์สันดาปภายใน

เครื่องยนต์ลูกสูบสี่จังหวะทั่วไปในทางปฏิบัติประกอบด้วยสี่กระบวนการ: ไอดี การบีบอัด การขยายตัว และไอเสีย

ทั้งในเครื่องยนต์แบบจุดระเบิดด้วยประกายไฟและเครื่องยนต์ดีเซล ในระหว่างกระบวนการไอดี วาล์วไอดีจะเปิดในกระบอกสูบเพื่อให้อากาศเข้าไป (ในกรณีของเครื่องยนต์ดีเซล) เครื่องยนต์ดีเซล) และอากาศและเชื้อเพลิง (ในเครื่องยนต์จุดระเบิดด้วยประกายไฟ) ซึ่งเกิดขึ้นที่ความดันบรรยากาศ (สำหรับสิ่งนี้ จำเป็นต้องมีความดันภายในกระบอกสูบ ต่ำกว่า). การเข้าสู่ปริมาตรนี้ในกระบอกสูบจะเคลื่อนลูกสูบไปทางจุดศูนย์ตายล่าง (BDC) จนกว่าจะถึงปริมาตรสูงสุดที่วาล์วไอดีปิด

ในระหว่างขั้นตอนการบีบอัด วาล์วไอดีและไอเสียยังคงปิดอยู่และลูกสูบจะเคลื่อนที่ ไปยังจุดตายบน (TDC) บีบอัดเนื้อหาของห้องจนกว่าจะถึงระดับเสียง ขั้นต่ำ ซึ่งแตกต่างจากเครื่องยนต์แบบจุดระเบิดด้วยประกายไฟที่อัตราส่วนกำลังอัดอยู่ที่ประมาณ กว่า 11 ในกระบอกสูบของเครื่องยนต์ดีเซล อัตราส่วนนี้จะต้องสูงกว่าโดยประมาณ 18. เส้นทางที่ยาวขึ้นนี้ช่วยให้อุณหภูมิสูงขึ้นเพื่อรับประกันการติดไฟอัตโนมัติของเชื้อเพลิงในกระบวนการต่อไปนี้ นั่นคือ อุณหภูมิของ อากาศที่ส่วนท้ายของกระบวนการอัดจะต้องสูงกว่าที่กำหนดไว้ในการจุดระเบิดเองของเชื้อเพลิง เพื่อให้สามารถจุดไฟได้เมื่อเข้าไปในห้องอัด การเผาไหม้

เครื่องยนต์ดีเซลต้องการกระบอกสูบที่ใหญ่กว่าเครื่องยนต์เบนซินหรือแก๊ส ทั้งสองอย่างนี้ใช้กันทั่วไปในรถบรรทุกหรือวิธีการขนส่งขนาดใหญ่เช่นเดียวกับใน อุตสาหกรรมเกษตร.

กระบวนการที่ตามมาคือการขยายตัวหรือจังหวะกำลัง และจะเริ่มขึ้นเมื่อลูกสูบถึงจุดศูนย์ตายบน ในเครื่องยนต์แบบจุดระเบิดด้วยประกายไฟ การเผาไหม้จะเกิดขึ้นทันทีและเกิดขึ้นผ่านทาง การจุดระเบิดของประกายไฟที่เกิดจากหัวเทียนซึ่งทำให้เกิดการเผาไหม้ของส่วนผสมของอากาศและ เชื้อเพลิง. ในกรณีของเครื่องยนต์ ECOM กระบวนการจะช้าลงเล็กน้อย โดยเริ่มต้นเมื่อลูกสูบอยู่ที่ TDC และหัวฉีดจะพ่นเชื้อเพลิงเข้าไปในห้อง เมื่อน้ำมันดีเซลหรือน้ำมันแก๊สสัมผัสกับอากาศที่อุณหภูมิสูง ส่วนผสมนี้จะติดไฟและ ขับลูกสูบไปทาง BDC เพื่อขยายก๊าซเผาไหม้และทำให้เพลาข้อเหวี่ยงของเครื่องยนต์หมุน เครื่องยนต์.

ภาพแสดงกระบอกสูบของเครื่องยนต์สันดาปภายใน คุณจะเห็นวาล์วและลูกสูบ

ในที่สุดจะมีการเปิดวาล์วไอเสียเพื่อให้ลูกสูบลอยขึ้นและแทนที่ก๊าซที่เผาไหม้และวงจรจะเริ่มขึ้นอีกครั้ง

ในเครื่องยนต์ดีเซล หัวเทียนจะไม่ถูกใช้เหมือนในเครื่องยนต์เบนซิน เนื่องจากกระบวนการเผาไหม้นั้น เกิดจากสภาวะความดันและอุณหภูมิในห้องเผาไหม้ในขณะฉีดเชื้อเพลิง เชื้อเพลิง.

เพื่อลดความซับซ้อนของการคำนวณและการวิเคราะห์ทางอุณหพลศาสตร์ภายในกระบอกสูบของเครื่องยนต์ การเผาไหม้ภายใน มีข้อสันนิษฐานบางประการ เช่น การพิจารณาอากาศมาตรฐานและกระบวนการต่างๆ พลิกกลับได้ ผ่านสถานที่เหล่านี้ วัฏจักรของ Otto และดีเซลได้รับการพัฒนา เพื่อสร้างกระบวนการทั้งสี่ดังที่แสดงในภาพต่อไปนี้:

สี่ขั้นตอนของเครื่องยนต์สันดาปภายในสี่จังหวะ

1-2: การบีบอัดแบบไอเซนโทรปิก
2-3: เพิ่มความร้อน ในรอบ Otto กระบวนการนี้จะถือว่าปริมาตรคงที่ (ไอโซชอร์) และในรอบดีเซล กระบวนการนี้จะเข้าใกล้หนึ่งรอบที่ความดันคงที่ (ไอโซบาริก)
3-4: การขยายตัวแบบไอเซนโทรปิก
4-1: การปฏิเสธความร้อนโดยปริมาตรคงที่ (ไอโซคอรอล)

แผนภาพด้านซ้ายแสดงกระบวนการที่เกิดขึ้นในเครื่องยนต์ที่จุดระเบิดด้วยประกายไฟ ในทางปฏิบัติ เป็นกระบวนการแบบเปิดที่ต้องรับอากาศภายนอกเข้ามาและไล่ก๊าซไอเสียออกสู่สิ่งแวดล้อม ทางด้านขวา การทำให้แบบจำลองนี้ง่ายขึ้นถูกสังเกตว่าเป็นวัฏจักรปิดที่เกิดจากกระบวนการไอเซนโทรปิกสองกระบวนการและสองไอโซคอร์

ในวงจรดีเซล กระบวนการไอดีและไอเสียจะถูกแทนที่ด้วยการเพิ่มความร้อนด้วยแรงดันคงที่และการปฏิเสธความร้อนโดยปริมาตรคงที่ นอกจากนี้ กระบวนการบีบอัดและการขยายตัวจะถือว่าเป็นไอเซนโทรปิก

เครื่องยนต์สันดาปภายในสี่จังหวะไม่ได้ใช้เฉพาะในอุตสาหกรรมการขนส่งเท่านั้น พวกเขายังมีการใช้งานบางอย่างในระดับที่อยู่อาศัยและอุตสาหกรรม เช่น การประยุกต์ใช้โคเจนเนอเรชั่น และ รับไฟฟ้า (หรือพลังงานกล) และความร้อนจากแหล่งหลักแหล่งเดียว ซึ่งจะเป็นเชื้อเพลิง ใช้แล้ว. อย่างไรก็ตาม สำหรับวัตถุประสงค์ในการผลิตไฟฟ้าร่วม วงจรออตโตและกังหันก๊าซเป็นเรื่องปกติมากกว่า

ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์สันดาปภายในสี่จังหวะ

เช่นเดียวกับวัฏจักรอุณหพลศาสตร์ทั้งหมด วัฏจักรก๊าซให้การวัดประสิทธิภาพตามประสิทธิภาพเชิงความร้อน (η_ตรี) ซึ่งแสดงความสัมพันธ์ระหว่างเน็ตเวิร์ก wneto หารด้วย qent อินพุตความร้อน:

\(_{Ter = }\frac{{{w_{net}}}}{{{q_{ent}}}} = \frac{{{q_{ent}} – {q_{sal}}}}{ {{q_{in}}}} = 1 – \frac{{{q_{salt}}}}{{{q_{in}}}}\)

ที่ไหน:
อะไร_{เกลือ} แสดงถึงความร้อนที่ถูกปฏิเสธในลักษณะไอโซคอริก

คิว_{เกลือ} ถูกกำหนดโดยการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายใน (u) ระหว่างสถานะที่เกิดกระบวนการปฏิเสธความร้อน นั่นคือ สถานะ 4 และ 1 ปริมาณเหล่านี้นำมาจากตารางไอน้ำ และในการระบุค่า จำเป็นต้องทราบข้อมูลสองส่วนเกี่ยวกับสถานะ ตัวอย่างเช่น อุณหภูมิและความดัน นอกจากนี้ ยังจำเป็นต้องใช้สมการสถานะ (P.v = R.T) และความสัมพันธ์ของความดัน ปริมาตร หรือความดัน/ปริมาตรสัมพัทธ์ที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการไอเซนโทรปิก

ในรอบ Otto กระบวนการเติมความร้อนจะดำเนินการที่ปริมาตรคงที่ ดังนั้นความร้อนเข้า q_ใน ถูกกำหนดโดยการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในระหว่างสถานะ 2 และ 3 นั่นคือคุณ₃ - หรือ₂:

\(_{Ter = } = 1 – \frac{{{u_4} – {u_1}}}{{{u_3} – {u_2}}}\)

ในกรณีของกระบวนการเพิ่มความร้อนสำหรับรอบดีเซล จะถือว่าความดันคงที่ และความร้อนเข้า q_ในคำนวณจากการเปลี่ยนแปลงเอนทาลปี (h) ระหว่างสถานะที่กระบวนการนี้เกิดขึ้น นั่นคือ ระหว่างสถานะ 3 และ 2 ด้วยการพิจารณาเหล่านี้ ประสิทธิภาพของวงจรดีเซลสามารถกำหนดได้โดยใช้นิพจน์:

\(_{Ter = } = 1 – \frac{{{u_4} – {u_1}}}{{{h_3} – {h_2}}}\)

แผนผังนี้แสดงความแตกต่างบางประการระหว่างวัฏจักร Otto และวัฏจักรดีเซล หากเครื่องยนต์ทั้งสองสามารถทำงานที่อัตราส่วนการอัด (r) เท่ากัน รอบของ Otto จะมีประสิทธิภาพมากกว่า อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ เครื่องยนต์ดีเซลจะมีอัตราส่วนการอัดที่สูงกว่า

อัตราส่วนกำลังอัด (r) และการตัดไอดี (r_ค)

ค่าไร้มิตินี้เป็นพารามิเตอร์ในวัฏจักรก๊าซ และแสดงเป็นลิงค์ที่เกิดขึ้นเหนือปริมาตรสูงสุดและต่ำสุดของกระบอกสูบ:

\(r = \frac{{{V_{max}}}}{{{V_{min}}}}\)

ทั้งในรอบ Otto และดีเซล ปริมาณสูงสุดจะได้รับในสถานะ 1 หรือ 4 ปริมาณขั้นต่ำในรอบ Otto เกิดขึ้นในสถานะ 2 และ 3 แต่ในดีเซลจะเกิดขึ้นในสถานะ 2 เท่านั้น

ค่าคงที่ไร้มิติของความร้อนจำเพาะ "k" ก็ถูกกำหนดเช่นกัน และแสดงถึงความสัมพันธ์ที่ระบุด้วยความเคารพต่อตัวแปรของความร้อนจำเพาะที่ความดันคงที่ (C_หน้า) และความร้อนจำเพาะที่ปริมาตรคงที่ (C_{โวลต์}):

\(k = \frac{{{C_p}}}{{{C_v}}}\)

นอกจากนี้ ในวงจรดีเซลจะใช้อัตราส่วนการตัดหรือการปิดไอดี ซึ่งก็คือ คำนวณโดยการหารปริมาตรสูงสุดด้วยปริมาตรต่ำสุดในระหว่างกระบวนการเพิ่มความร้อน นั่นคือ พูด:

\({r_c} = {\left( {\frac{{{V_{max}}}}{{{V_{min}}}}} \right) n\;of\;heat} } = \frac{ {{V_3}}}{{{V_2}}} = \frac{{{v_3}}}{{{v_2}}}\)

ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์สันดาปภายในโดยใช้สมมติฐานความร้อนจำเพาะคงที่

ในวัฏจักรของก๊าซ บางครั้งอาจสันนิษฐานได้ว่าทำงานภายใต้สมมติฐานของความร้อนจำเพาะที่ไม่แปรผันตามอุณหภูมิ หรือที่เรียกว่าอากาศเย็น มาตรฐาน (อย่างไรก็ตามในทางปฏิบัติหากมีการเปลี่ยนแปลง) และภายใต้การพิจารณานี้ ประสิทธิภาพเชิงความร้อนของแต่ละรอบถูกกำหนดด้วยสิ่งต่อไปนี้ นิพจน์:

สำหรับวงจรอ๊อตโต้

\(_{Ter = } = 1 – \frac{1}{{{r^{k – 1}}}}\)

แผนภาพด้านซ้ายแสดงช่วงคุณลักษณะของค่าอัตราส่วนกำลังอัดสำหรับเครื่องยนต์จุดระเบิดด้วยประกายไฟ ทางด้านขวา การแปรผันของประสิทธิภาพของวัฏจักรออตโตจะสังเกตได้จากฟังก์ชันของอัตราส่วนการอัด (r) สำหรับค่าต่างๆ ของ k

สำหรับวงจรดีเซล

\(_{Ter = } = 1 – \frac{1}{{{r^{k – 1}}}}\left[ {\frac{{{r_c}^k – 1}}{{k\left ( {{r_c} – 1} \right)}}} \right]\)

ที่ไหน_{โวลต์} คือความร้อนจำเพาะของอากาศที่ปริมาตรคงที่ (ค._{โวลต์} = 0.718kJ/กก. เค) และซี_หน้า ความร้อนจำเพาะที่ความดันคงที่ ซึ่งสำหรับอากาศในสภาวะแวดล้อมคือ C_หน้า = 1.005kJ/กก. เค

แผนภาพแสดงช่วงทั่วไปของอัตราส่วนกำลังอัด (r) สำหรับเครื่องยนต์ดีเซล เช่นเดียวกับ การเปลี่ยนแปลงของประสิทธิภาพเชิงความร้อนของวงจรสำหรับค่าต่างๆ ของอัตราส่วนการตัดไอดี (ร_ค).