Дизельный цикл - Википедия - Diesel cycle

Термодинамика
Классический Тепловой двигатель Карно
ветви Классический Статистический Химическая Квантовая термодинамика Равновесие  / Неравновесный
Законы Zeroth Первый Второй В третьих
Системы Состояние Уравнение состояния Идеальный газ Настоящий газ Состояние вопроса Равновесие Контрольный объем Инструменты Процессы Изобарический Изохорический Изотермический Адиабатический Изэнтропический Изентальпический Квазистатический Политропный Бесплатное расширение Обратимость Необратимость Необратимость Циклы Тепловые двигатели Тепловые насосы Тепловая эффективность
Свойства системы Примечание: Сопряженные переменные в курсив Диаграммы свойств Интенсивные и обширные свойства Функции процесса Работа Высокая температура Функции государства Температура  / Энтропия  (вступление ) Давление  / Объем Химический потенциал  / Номер частицы Качество пара Сниженные свойства
Свойства материала Базы данных недвижимости Удельная теплоемкость   ${ displaystyle c =}$ ${ displaystyle T}$ ${ displaystyle partial S}$ ${ displaystyle N}$ ${ displaystyle partial T}$ Сжимаемость   ${ displaystyle beta = -}$ ${ displaystyle 1}$ ${ displaystyle partial V}$ ${ displaystyle V}$ ${ displaystyle partial p}$ Тепловое расширение   ${ Displaystyle альфа =}$ ${ displaystyle 1}$ ${ displaystyle partial V}$ ${ displaystyle V}$ ${ displaystyle partial T}$
Уравнения Теорема Карно Теорема Клаузиуса Фундаментальное отношение Закон идеального газа Максвелл отношения Взаимные отношения Онзагера Уравнения Бриджмена Таблица термодинамических уравнений
Потенциал Свободная энергия Свободная энтропия Внутренняя энергия ${ Displaystyle U (S, V)}$ Энтальпия ${ Displaystyle H (S, p) = U + pV}$ Свободная энергия Гельмгольца ${ Displaystyle А (Т, В) = U-TS}$ Свободная энергия Гиббса ${ Displaystyle G (T, p) = H-TS}$
История Культура История Общий Энтропия Газовые законы Машины "вечный двигатель" Философия Энтропия и время Энтропия и жизнь Броуновская трещотка Демон Максвелла Парадокс тепловой смерти Парадокс лошмидта Синергетика Теории Теория калорийности Теория тепла Vis viva («живая сила») Механический эквивалент тепла Сила мотивации Ключевые публикации "Экспериментальное расследование Относительно ... тепла " "О равновесии Гетерогенные вещества " "Размышления о Движущая сила огня " Сроки Термодинамика Тепловые двигатели Изобразительное искусство Образование Термодинамическая поверхность Максвелла Энтропия как рассеивание энергии
Ученые Бернулли Больцман Карно Клапейрон Клаузиус Каратеодори Duhem Гиббс фон Гельмгольц Джоуль Максвелл фон Майер Онсагер Ренкин Смитон Шталь Томпсон Томсон ван дер Ваальс Waterston
Книга Категория

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.

Рекомендации

Смотрите также

• Дизель
• Двигатель с горячей лампочкой
• Смешанный / двойной цикл
• Частично предварительно смешанное сжигание