Дизельный цикл - Diesel cycle

В Дизельный цикл это процесс горения возвратно-поступательного двигатель внутреннего сгорания. В этом, топливо воспламеняется от тепла, выделяемого при сжатии воздуха в камере сгорания, в которую затем впрыскивается топливо. В этом отличие от зажигания топливно-воздушной смеси с свеча зажигания как в Цикл Отто (четырехтактный /бензиновый двигатель. Дизельные двигатели используются в самолет, автомобили, выработка энергии, дизель-электрический локомотивы, и обе поверхности корабли и подводные лодки.

Предполагается, что дизельный цикл имеет постоянное давление в течение начальной части фазы сгорания ( ${ displaystyle V_ {2}}$ к ${ displaystyle V_ {3}}$ на диаграмме ниже). Это идеализированная математическая модель: у реальных физических дизелей действительно есть повышение давления в этот период, но оно менее выражено, чем в цикле Отто. Напротив, идеализированные Цикл Отто из бензиновый двигатель аппроксимирует процесс постоянного объема во время этой фазы.

Идеализированный дизельный цикл

Диаграмма p-V для идеала Дизельный цикл. Цикл следует за числами 1-4 по часовой стрелке.

Изображение показывает диаграмма p-V для идеального дизельного цикла; куда ${ displaystyle p}$ является давление и V объем или ${ displaystyle v}$ то удельный объем если процесс основан на единице массы. В идеализированный Дизельный цикл предполагает идеальный газ и игнорирует горение химия, выхлоп и процедуры пополнения баланса и просто следует четырем отдельным процессам:

1→2 : изэнтропический сжатие жидкости (синий)
2→3 : обратимый подогрев постоянного давления (красный)
3 → 4: изэнтропическое расширение (желтый)
4 → 1: реверсивное охлаждение с постоянным объемом (зеленый)^[1]

Дизельный двигатель - это тепловой двигатель: он преобразует высокая температура в работай. Во время нижних изоэнтропических процессов (синий) энергия передается в систему в виде работы. ${ displaystyle W_ {in}}$ , но по определению (изоэнтропия) никакая энергия не передается в систему или из нее в виде тепла. При постоянном давлении (красный, изобарический ), энергия поступает в систему в виде тепла ${ displaystyle Q_ {in}}$ . Во время верхних изэнтропических процессов (желтый) энергия передается из системы в виде ${ displaystyle W_ {out}}$ , но по определению (изоэнтропия) никакая энергия не передается в систему или из нее в виде тепла. При постоянной громкости (зеленый, изохорный ) часть энергии выходит из системы в виде тепла через правильный процесс сброса давления. ${ displaystyle Q_ {out}}$ . Работа, которая покидает систему, равна работе, которая входит в систему, плюс разница между теплом, добавленным к системе, и теплом, покидающим систему; Другими словами, чистая прибыль от работы равна разнице между теплом, добавленным к системе, и теплом, покидающим систему.

Работать в ( ${ displaystyle W_ {in}}$ ) осуществляется поршнем, сжимающим воздух (систему)
Нагреть в ( ${ displaystyle Q_ {in}}$ ) выполняется горение топлива
Тренировка ( ${ displaystyle W_ {out}}$ ) происходит за счет расширения рабочей жидкости и толкания поршня (это производит полезную работу)
Нагреть ( ${ displaystyle Q_ {out}}$ ) осуществляется путем выпуска воздуха
Произведено чистой работы = ${ displaystyle Q_ {in}}$ - ${ displaystyle Q_ {out}}$

Произведенная чистая работа также представлена областью, заключенной в цикл на диаграмме P-V. Чистая работа производится за цикл и также называется полезной работой, поскольку она может быть превращена в другие полезные виды энергии и приводить в движение транспортное средство (кинетическая энергия ) или производить электрическую энергию. Суммирование множества таких циклов за единицу времени называется развиваемой мощностью. В ${ displaystyle W_ {out}}$ также называется полной работой, часть которой используется в следующем цикле двигателя для сжатия следующего заряда воздуха.

Максимальный тепловой КПД

Максимальный тепловой КПД дизельного цикла зависит от степени сжатия и предельного значения. Он имеет следующую формулу при холоде стандарт воздуха анализ:

${ displaystyle eta _ {th} = 1 - { frac {1} {r ^ { gamma -1}}} left ({ frac { alpha ^ { gamma} -1} { gamma ( alpha -1)}} right)}$

куда

{ displaystyle eta _ {th}}

является тепловая эффективность

{ displaystyle alpha}

это коэффициент отсечения

{ displaystyle { frac {V_ {3}} {V_ {2}}}}

(соотношение конечного и начального объема для фазы сгорания)

р

это коэффициент сжатия

{ displaystyle { frac {V_ {1}} {V_ {2}}}}

{ displaystyle gamma}

это соотношение удельные плавки (C_п/ C_v)^[2]

Коэффициент отсечки может быть выражен в терминах температуры, как показано ниже:

{ displaystyle { frac {T_ {2}} {T_ {1}}} = { left ({ frac {V_ {1}} {V_ {2}}} right) ^ { gamma -1} } = r ^ { gamma -1}}

{ displaystyle displaystyle {T_ {2}} = {T_ {1}} r ^ { gamma -1}}

{ displaystyle { frac {V_ {3}} {V_ {2}}} = { frac {T_ {3}} {T_ {2}}}}

{ displaystyle alpha = left ({ frac {T_ {3}} {T_ {1}}} right) left ({ frac {1} {r ^ { gamma -1}}} right )}

${ displaystyle T_ {3}}$ может быть приближена к температуре пламени используемого топлива. Температура пламени может быть приблизительно равна адиабатическая температура пламени топлива с соответствующим соотношением воздух-топливо и давлением сжатия, ${ displaystyle p_ {3}}$ . ${ displaystyle T_ {1}}$ может быть приближена к температуре входящего воздуха.

Эта формула дает только идеальный тепловой КПД. Фактический тепловой КПД будет значительно ниже из-за потерь тепла и трения. Формула сложнее, чем Цикл Отто (бензин / бензиновый двигатель) соотношение, которое имеет следующую формулу:

${ displaystyle eta _ {otto, th} = 1 - { frac {1} {r ^ { gamma -1}}}}$

Дополнительная сложность формулы дизельного топлива возникает из-за того, что подвод тепла осуществляется при постоянном давлении, а отвод тепла - при постоянном объеме. Для сравнения, цикл Отто имеет как добавление тепла, так и отвод тепла при постоянном объеме.

Сравнение эффективности с циклом Отто

Сравнивая две формулы, можно увидеть, что для заданной степени сжатия ( $р$ ), идеальный Цикл Отто будет эффективнее. Однако настоящий дизель в целом будет более эффективным, поскольку сможет работать при более высоких степенях сжатия. Если бы у бензинового двигателя была такая же степень сжатия, то возникла бы детонация (самовоспламенение), и это сильно снизило бы эффективность, тогда как в дизельном двигателе желательным поведением является самовоспламенение. Кроме того, оба этих цикла - всего лишь идеализации, и реальное поведение не разделяется так четко или резко. Кроме того, указанная выше идеальная формула цикла Отто не включает потери на дросселирование, которые не применимы к дизельным двигателям.

Приложения

Дизельные двигатели

У дизельных двигателей самый низкий удельный расход топлива любого большого двигателя внутреннего сгорания, использующего один цикл, 0,26 фунта / л.с. · ч (0,16 кг / кВт · ч) для очень больших судовых двигателей (электростанции с комбинированным циклом более эффективны, но используют два двигателя, а не один). Двухтактные дизели с принудительной индукцией высокого давления, в частности турбонаддув, составляют большой процент самых крупных дизельных двигателей.

В Северная Америка, дизельные двигатели в основном используются в больших грузовиках, где цикл с низким напряжением и высоким КПД позволяет значительно продлить срок службы двигателя и снизить эксплуатационные расходы. Эти преимущества также делают дизельный двигатель идеальным для использования на тяжелых железных дорогах и при землеройных работах.

Другие двигатели внутреннего сгорания без свечей зажигания

Много модели самолетов использовать очень простые «тлеющие» и «дизельные» двигатели. Использование двигателей накаливания свечи накаливания. Двигатели "Дизельных" авиамоделей имеют переменную степень сжатия. Оба типа зависят от специального топлива.

Некоторые экспериментальные двигатели 19-го века или более ранние использовали для зажигания внешнее пламя, открытое клапанами, но это становится менее привлекательным с увеличением сжатия. (Это было исследование Николя Леонар Сади Карно который установил термодинамическое значение сжатия.) Исторический смысл этого состоит в том, что дизельный двигатель мог быть изобретен без помощи электричества.
Смотрите развитие двигатель горячей лампы и непрямая инъекция для исторического значения.

Смотрите также

[1] Eastop & McConkey 1993, Прикладная термодинамика для инженеров-технологов, Pearson Education Limited, пятое издание, стр.137.

[2] Дизельный двигатель

[1]

[2]