Lige trykproces

Lige tryk proces i pV diagram : karakteristisk eksponentiel trykstigning 1➝2 grund af stærk isentropisk kompression op til toppen dødpunkt , efterfulgt af et afsnit med isobar ekspansion 2➝3 under varmetilførsel, derefter en eksponentiel dråbe 3➝4 grund isentropisk ekspansion

Den proces konstant tryk (også kendt som diesel cyklus proces til stempelmotorer) er en sammenligning proces til maskiner, hvor varmen tilføres ved konstant tryk. ( isobarisk ; i stempelmotorer efter top dødpunkt i begyndelsen af ​​udvidelsen). Disse står i modsætning til processen med konstant volumen (også kaldet Otto-cyklus), hvor varmen tilføres ved konstant volumen ( isokorisk , med stempelmotorer i øverste dødpunkt).

Teknisk set fungerer ægte motorer for det meste i overgangsområdet mellem den ideelle konstante plads og konstant trykproces, hvor især den blandede Seiliger-cyklus giver en bedre tilnærmelse, som kan bruges til både diesel- og benzinmotorer.

Ideelt lige trykproces

Termodynamiske tilstandsdiagrammer for en ideel konstant trykproces ( dieselcyklus )
pV-diagram ( isentropes tegnet med stiplede linjer)	Ts-diagram ( stiplede isobarer )

Det teoretisk ideelle ens tryk proces omfatter ikke kemisk omdannelse ( forbrænding ) eller gas udveksling med emissionen af udstødningsgas og strengt består af fire tilstandsændringer af en idealgas inden for et lukket system :

• 1➝2: isentrop kompression
• 2➝3: isobar varmeforsyning (derfor samme tryk proces)
• 3➝4: isentropisk ekspansion
• 4➝1: reduktion af isochorisk tryk gennem varmeafledning (praktisk i motorer med forbrænding gennem gasudveksling , dvs. udstødning af udstødningsgassen og sugning af en frisk gasladning)

Området omgivet af linien 1-2-3-4 i pV-diagrammet svarer til det specifikke procesarbejde  w .

Termisk effektivitet i processen med konstant tryk

Effektiviteten af ​​ligetryksprocessen (dieselprocessen) afhænger af:

${\ displaystyle \ varepsilon = {\ frac {V_ {1}} {V_ {2}}}}$; Geometrisk kompressionsforhold (maksimal værdi af forbrændingskammeret til stempler ved BDC / mindste værdi af forbrændingskammeret for stempler ved TDC)

${\ displaystyle \ psi = {\ frac {V_ {3}} {V_ {2}}}}$; Fuldt tryk eller lige tryk eller injektionsforhold

${\ displaystyle \ kappa = {\ frac {C_ {p}} {C_ {V}}} = {\ frac {c_ {p}} {c_ {V}}}}$; Arbejdsgasens isentropiske koefficient . Denne koefficient ville være 1,4 for luft ved normal temperatur. Udstødningsgas eller brændselsgas har en værdi på ca. 1,3 på grund af dets ændrede sammensætning og høje temperatur. C er varmekapaciteten i J / K og c er den specifikke varmekapacitet i J / (kg K).

${\ displaystyle \ psi = {\ frac {H_ {u}} {m_ {H} c_ {p} T_ {1} \ varepsilon ^ {\ kappa -1}}} + 1}$; Det samme trykforhold afhænger af varmeforsyningen. Jo større mængde varme, jo lavere effektivitet!

${\ displaystyle T_ {1}}$ : Grundtemperatur (K). For eksempel 400 K (ca. 127 ° C) før kompressionsslaget i cylinderen.

${\ displaystyle H_ {u}}$ : leveret specifik varmeenergi (J / kg). For eksempel 42.000 J / kg for diesel.

${\ displaystyle m_ {H}}$ : specifik opvarmningsmasse pr. brændstofmasse (kg / kg). For eksempel 21 kg luft og resterende udstødningsgas pr. Kg diesel.

${\ displaystyle {c_ {p}}}$ : specifik varmekapacitet for udstødningsgasser eller forbrændingsgasser i J / (kg K). For eksempel 1,2 J / (kg K).

Afledningen af ​​effektivitetsformlen er som følger:

Den isobariske varmeindgang i joule er:

${\ displaystyle Q_ {23} = C_ {p} (T_ {3} -T_ {2})}$eller i Newton meter ${\ displaystyle \ kappa \ cdot p_ {23} (V_ {3} -V_ {2}) = Q_ {til}}$

Mængden af ​​isochorisk spredt varme er:

${\ displaystyle Q_ {41} = C_ {V} (T_ {4} -T_ {1})}$ eller ${\ displaystyle (p_ {4} -p_ {1}) V_ {41} = Q_ {fra}}$

Energitabsfaktoren er:

${\ displaystyle {\ frac {Q_ {fra}} {Q_ {til}}} = {\ frac {1} {\ kappa}} \ cdot {\ frac {(p_ {4} -p_ {1}) V_ { 41}} {p_ {23} (V_ {3} -V_ {2})}} = {\ frac {\ varepsilon} {\ kappa (\ psi -1)}} \ cdot {\ frac {p_ {4} -p_ {1}} {p_ {23}}}}$

Ved hjælp af den polytropiske ligning følger det: ${\ displaystyle pV ^ {\ kappa} = const}$

${\ displaystyle {\ frac {p_ {4} -p_ {1}} {p_ {23}}} = \ venstre ({\ frac {V_ {3}} {V_ {41}}} \ højre) ^ {\ kappa} - \ venstre ({\ frac {V_ {2}} {V_ {41}}} \ højre) ^ {\ kappa} = \ venstre ({\ frac {\ psi} {\ varepsilon}} \ højre) ^ {\ kappa} - \ left ({\ frac {1} {\ varepsilon}} \ right) ^ {\ kappa} = {\ frac {\ psi ^ {\ kappa} -1} {\ varepsilon ^ {\ kappa} }}}$

Den termiske effektivitet er:

${\ displaystyle 1 - {\ frac {Q_ {from}} {Q_ {to}}} = 1 - {\ frac {\ varepsilon} {\ kappa (\ psi -1)}} \ cdot {\ frac {\ psi ^ {\ kappa} -1} {\ varepsilon ^ {\ kappa}}}}$

${\ displaystyle \ eta _ {th \, \ mathrm {Like tryk}} = 1 - {\ frac {1} {\ varepsilon ^ {\ kappa -1}}} \ cdot {\ frac {\ psi ^ {\ kappa } -1} {\ kappa (\ psi -1)}}}$

Sammenligning af effektiviteten af ​​konstant tryk og konstante rumprocesser

Den første faktor til højre for ligningen svarer til tabet af effektivitet ved den konstante rumproces. Den anden del er den yderligere effektivitetsreduktionsfaktor (> 1 sammenlignet med processen med konstant rum). ${\ displaystyle {\ varepsilon ^ {1- \ kappa}}}$

Med det samme kompressionsforhold har processen med konstant tryk rent matematisk en dårligere termisk effektivitet end den ideelle proces med konstant rum . Fra et teknisk synspunkt, men den diesel cyklus proces i moderne motorer i særdeleshed er lettere at kontrollere end den konstante -space processen (især Otto cyklus proces ), så at det i praksis i sidste ende opnår en bedre grad af effektivitet med på højere toleranceprocesparametre . ${\ displaystyle \ epsilon}$

Diesel cyklus

Suppleret med en ladningsudveksling med forbrænding og emissioner af udstødningsgas ved direkte trykning er henholdsvis for stempelmotorer end dieselcyklus . Dette inkluderer både totakts - såvel som firetakts - stempelmotorer, hvis slag af et respektive stempelslag eller en halv krumtapakselrevolution der. Betingelserne gælder i princippet for roterende stempelmotorer og roterende motorer .

Den ideelle dieselmotor

Den teoretisk ideelle dieselmotor har ingen spredningstab , mekaniske friktionstab, hjælpeenheder, cylinderkøling eller lækagetab. Arbejdsgassen har de samme egenskaber gennem hele cyklussen og ingen strømningstab. Den ideelle ladningsudveksling finder sted uden at blande frisk ladning med udstødningsgas.

For firetaktsdieselmotoren kan kurverne i statusdiagrammet tildeles de 4 arbejdscyklusser som følger ( nummereringen i statusdiagrammet bør ikke forveksles med arbejdscyklusserne! ):

1. "Sugecyklus" (0➝1): Påfyldning med luft som frisk ladning
2. "Kompressions" -cyklus (1➝2): isentropisk stærk kompression, indtil antændelsestemperaturen er nået ved det øverste døde centrum, antænder det injicerende brændstof ( selvantændelse )
3. "Expand" cyklus: først (2➝3) isobar ekspansion under varmetilførslen gennem fortsat konstant tryk forbrænding, derefter (3➝4) isentropisk ekspansion af den varme udstødningsgas fortsat arbejde
4. "Push out" -cyklus (4➝1): Afvigende fra den ideelle konstante trykproces, er der nu ingen isokorisk trykreduktion gennem varmeafledning i bundens dødpunkt, men varmen frigives fra arbejdskammeret ved at åbne udstødningsventilen med udstødningsgassen , hvor resttrykket ekspanderer dynamisk ind i udstødningen . Den resterende udstødningsgas udstødes derefter med stempelslaget (10).${\ displaystyle q_ {fra}}$

Mens firetaktsmotoren har brug for en komplet krumtaprotation med 2 arbejdscyklusser til gasudvekslingen, gør totaktsmotoren dette meget hurtigt, mens den passerer gennem det nederste dødpunkt, så arbejdscyklussen "optages" (0-1) og "udstødning" (1-0) simpelthen udeladt. De tekniske processer ved gasudvekslingen er ikke vist i det termodynamiske tilstandsdiagram for den ideelle proces med konstant tryk, hvor de praktisk talt akkumuleres i punkt 1.

Statens diagram for en reel fire-takts dieselmotor motor
Cyklusproces af en firetakts dieselmotor , skematisk i pV-diagrammet	Fire-takts dieselmotor motor : 1: indtagelse; 2: komprimering; 3: udvide; 4: glid ud

Den rigtige dieselmotor

Tilstandsændringerne i den virkelige dieselmotor afviger betydeligt fra forløbet af den teoretiske ideelle dieselcyklusproces :

• Den brændstof-luftblandingen er ikke en idealgas , men har en mindre isentropisk eksponent og øger dens varmekapacitet ved høje temperaturer. Derudover ændrer forbrændingen materialesammensætningen, arbejdsgassens varmekapacitet. Reaktionsprodukterne vanddamp og kuldioxid har forskellige termodynamisk relevante egenskaber end ilt og brændstof.

• Isobarisk varmeforsyning opnås praktisk taget kun omtrent, da forbrændingsprocessen (tidsmæssig blanding og forbrænding af brændstoffet med luften) ikke er nøjagtigt tilpasset arbejdsområdet, der ændres med krumtapbevægelsen : Som i Otto-motoren fører dieselmotoren kort før det øverste dødpunkt fører begyndelsen af ​​varmetilførslen til en yderligere stigning i trykket, så det maksimale tryk stiger langt over kompressionstrykket.

Af disse grunde har processen med konstant tryk eller dieselcyklusprocessen ringe forudsigelig effekt for rigtige motorer. Den blandede Seiliger-cyklus , som kan bruges til både diesel- og benzinmotorer, giver en bedre tilnærmelse end konstant rum- og konstanttrykprocesser .

Tidsstyret brændstofindsprøjtning ( multiple indsprøjtning i common rail- motorer) kan også påvirke forbrændingen for at undgå for høje temperaturer og tryk.

Reelle motortab

Sammenlignet med sammenligningsprocessen fungerer den virkelige cyklusproces i motoren mindre:

• Den gasudveksling med suge- og er sammenlignelig med en pumpeproces, der forbruger en vis del af motorkraften på grund af friktion og flow tab (gasudveksling arbejde = uret loop mellem 0 og 1 i pV diagram).

• En del af den termiske energi går tabt på overfladerne på forbrændingskammeret og bidrager ikke til arbejdsydelsen. (Tabene som følge af ufuldstændig forbrænding og den endotermiske dannelse af nitrogenoxider registreres ikke i sammenligningsprocessen)

• Da frigivelse af udløbstværsnittet også tager noget tid, åbnes udløbsventilen kort før bundens dødpunkt, så procesoverfladen skæres i punkt 4 (tab af ekspansion): Resttrykket på typisk omkring 3-5 bar "sprudler ud "i udstødningssystemet , hvis det endnu ikke er brugt af en udstødningsturbine, hvis yderligere ekspansion anvendes.

Forholdet mellem arbejdet frigivet i motoren og det teoretiske arbejde i cyklussen kaldes kvalitetsniveauet. Virkelige motorer har også et mekanisk effekttab på grund af friktion, hjælpedrev og hjælpedrev, som kan udgøre mere end 10% af den nominelle effekt og reducere effektiviteten , især ved delbelastning.

Tekniske effektiviteter i dieselcyklussen

Det vigtigste termodynamiske tab i dieselcyklussen , som i Otto-cyklussen , skyldes ubrugt udstødningsgasvarme og resterende udstødningstryk (typisk 3-5 bar), som i simple naturligt opsugede motorer udledes ubrugt i udstødningen . Mere effektiv er den yderligere udvidelse af resttrykket i en udstødningsturbine , den opnåede effekt overføres fortrinsvis til krumtapakslen via en turbolader, hvis den komprimerede ladeluft driver stemplet i indsugningscyklussen i stedet for at skulle arbejde mod undertryk som i den naturligt opsugede motor. I store dieselmotorer kan udstødningsvarme bruges i en affaldsvarmekedel til at drive en dampturbine .

Dieselmotorer med turboladere og ladeluftkøling opnår en effektivitet på op til 42% for biler, 45% for lastbiler og over 50% for store marine dieselmotorer , som på samme måde anvendes i kraftvarmeværker .

Udstødningsgasvarmen har en større andel end varmeafledningen gennem luft- eller vandkøling. Begge varmestrømme kan bruges lige meget til opvarmningsformål, især i stationære systemer som kraftvarmeværker, men også på skibe eller til motorkøretøjer, der har et betydeligt varmebehov, især om vinteren, på grund af dårlig kropsisolering.

Se også

• Lige rumproces
• Seiliger cyklus
• Joule-cyklus
• Carnot cyklus

litteratur

• Litteratur om teknisk termodynamik
• Wolfgang Kalide: Stempel og flowmaskiner . 1. udgave, Carl Hanser Verlag, München / Wien 1974, ISBN 3-446-11752-0 .
• Jan Drummans: Bilen og dens teknologi. 1. udgave, Motorbuchverlag, Stuttgart 1992, ISBN 3-613-01288-X .
• Karl-Heinz Dietsche, Thomas Jäger, Robert Bosch GmbH: Automobile paperback. 25. udgave, Friedr. Vieweg & Sohn Verlag, Wiesbaden 2003, ISBN 3-528-23876-3 .

Weblinks

• University of Duisburg-Essen, basics of teknisk termodynamik med øvelser og løsninger (PDF; 2,6 MB)