Seiliger cyklus

Tryk-volumen-diagram over Seiliger-processen

Temperatur-entropi-diagram over Seiliger-processen

Den Seiliger cyklus er en blandet sammenligning fremgangsmåde ( konstant rum og konstant tryk proces ), som anvendes til at repræsentere de processer i forbrændingsmotorer . Det skildrer den såkaldte perfekte motor. Både den konstante trykproces og den konstante rumproces er inkluderet som specielle tilfælde i Seiliger-processen.

Processen med konstant tryk (dieselproces) med sin rent isobariske varmeforsyning kan ikke implementeres i praksis, da varmeforsyning ikke er mulig uden at øge trykket. Konstantrumsprocessen (Otto-processen) med sin rent isokoriske varmeforsyning kan ikke implementeres i praksis, da varmeforsyning i hvert fald ikke er mulig. Den delvist isobare og delvist isokoriske varmeforsyning i Seiliger-processen giver en meget god tilnærmelse af de reelle processer i diesel- og benzinmotorer.

Procesflow

Sammenligningsprocessen foreslået af Myron Seiliger i 1922 er opdelt i fem procestrin for motorer uden motoroverladning :

• (1 - 2) isentropisk kompression. Energioverførsel i form af arbejdskraft .${\ displaystyle w> 0}$
• (2 - 3) isokorisk forbrænding. Energioverførsel gennem opvarmning .${\ displaystyle q> 0}$
• (3 - 4) isobar forbrænding og afslapning. Energioverførsel gennem opvarmning og nyttigt arbejde .${\ displaystyle q> 0, \, w <0}$
• (4 - 5) isentropisk afslapning. Energioverførsel i form af nyttigt arbejde .${\ displaystyle w <0}$
• (5 - 1) isokoriske udstødninger. Energioverførsel gennem spildvarme og arbejdsbyrde .${\ displaystyle q <0, \, w> 0}$

Positive varme- eller arbejdsenergiværdier betyder en energiforsyning (arbejdsbelastning) og negative arbejds- eller varmeenergiværdier betyder energiproduktion (nyttigt arbejde). Gasudvekslingscyklussen (isobar udledning og sugning) tages ikke i betragtning.

Effektivitet

Ud over volumenforholdet (ekspansionsforhold, kompressionsforhold) og den isentropiske eksponent, afhænger den termiske effektivitet af Seiliger-processen af delingen af ​​den tilførte varmemængde for trykforøgelsesforholdet og mængden af ​​varme for fuld eller konstant tryk -forhold og kan bestemmes som følger: ${\ displaystyle \ varepsilon}$ ${\ displaystyle \ kappa}$${\ displaystyle \ xi}$${\ displaystyle \ psi}$

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

Den første hovedfaktor er det termodynamiske tab for den konstante rumproces. Den anden hovedfaktor er det yderligere tab på grund af den konstante trykproces og dermed større end 1. Den konstante rumproces er mere effektiv end den konstante trykproces. Den termiske effektivitet af Seiliger-processen ligger mellem processen med konstant rum og den konstante trykproces.

${\ displaystyle \ varepsilon = {\ frac {V_ {1}} {V_ {2}}}}$; V ₁ er udvidelsesvolumen eller udvidelsesrum. V _{2 er} kompressionsvolumen eller kompressionsrum.

${\ displaystyle \ kappa = {\ frac {c_ {p}} {c_ {V}}}}$; Isentropisk eksponent (brændstofgas eller udstødningsgas ved 1000 ° C har en værdi på ca. 1,3). Jo højere forholdet mellem c _p og c _V, jo højere effektivitet.

${\ displaystyle c_ {p}}$; Specifik varmekapacitet ved konstant tryk (forbrænding eller udstødningsgas ved 1000 ° C har ca. 1,25 kJ / (kg K).

${\ displaystyle c_ {V}}$; Specifik varmekapacitet ved konstant volumen (forbrænding eller udstødningsgas ved 1000 ° C har ca. 0,96 kJ / (kg K).

${\ displaystyle R_ {s} = c_ {p} -c_ {V}}$; Specifik gaskonstant . Den forbliver konstant over et bredt temperaturinterval og er ca. 0,29 kJ / (kg K) for frisk gas og udstødningsgas.

${\ displaystyle \ xi = {\ frac {p_ {3}} {p_ {2}}} = {\ frac {T_ {3}} {T_ {2}}}}$; Forhøjelse af tryk og temperatur med isokorisk forbrænding. Jo større tryk og temperaturstigning, jo højere er den termiske effektivitet.

${\ displaystyle p_ {2} = p_ {1} \ cdot \ varepsilon ^ {\ kappa}}$; Komprimeringstryk. p ₁ er den indledende tryk, f.eks B. 1 bar.

${\ displaystyle T_ {2} = T_ {1} \ cdot \ varepsilon ^ {\ kappa -1}}$; Kompressionstemperatur. T ₁ er udgangs temperatur i Kelvin (frisk gas og tilbageværende udstødningsgas) før kompressionsslaget, f.eks B. 400 K (ca. 127 ° C).

${\ displaystyle p_ {3} = p_ {2} {\ frac {T_ {3}} {T_ {2}}}}$   og   ; Tryk og temperatur efter forbrænding i samme rum. p ₃ og T _{3 er} resultatet af den valgte mængde varmeenergi til den isochoriske temperatur og trykstigning.${\ displaystyle T_ {3} = T_ {2} {\ frac {p_ {3}} {p_ {2}}}}$

${\ displaystyle \ psi = {\ frac {V_ {4}} {V_ {3}}} = {\ frac {T_ {4}} {T_ {3}}}}$; Forhold mellem rum og temperatur (ekspansion, fuldt trykforhold) med isobar forbrænding. T ₄ og V ₄ resultat fra den valgte opdeling af konstant rum og konstant trykforhold. Jo lavere den konstante trykfaktor, jo højere effektivitet.

${\ displaystyle \ eta _ {th \, \ mathrm {Carnot}} = 1 - {\ frac {T_ {1}} {T_ {4}}}}$; Den Carnotvirkningsgrad bestemmer den teoretiske øvre grænse for alle termodynamiske cyklus processer .

For at illustrere tilstandsvariablerne anvendes en ideel gas med temperaturuafhængig og lige varmekapacitet til kompression og ekspansion i det følgende.

Opdeling af trykstigning - stigning i plads

Varmetilførslen til den blandede proces er sammensat som følger:

${\ displaystyle Q_ {zu} = Q_ {V} + Q_ {P} = m \ left [c_ {V} ({\ frac {T_ {3}} {T_ {2}}} - 1) T_ {2} + c_ {p} ({\ frac {T_ {4}} {T_ {3}}} - 1) T_ {3} \ right]}$Varmeforsyning (kJ) for hele arbejdscyklussen. Q _V er varmekonvertering ved konstant volumen og Q _P er varmekonvertering ved konstant tryk. I tilfælde af dieselmotorer med flere direkte indsprøjtninger kan inddelingen vælges frit. I tilfælde af en benzinmotor uden direkte indsprøjtning kan opdelingen kun påvirkes via tændingspunktet. m er arbejdsgasens opvarmning eller blandingsmasse (kg).

I stedet for at beregne med absolut opvarmningsenergi og -masser anvendes specifikke opvarmningsenergier og -masser i det følgende.

${\ displaystyle \! H_ {u} = H_ {V} + H_ {P}}$; specifik opvarmningsenergi (kJ / kg) for hele arbejdscyklussen. H _V er opvarmningsenergikomponenten til den konstante rumfase og H _P for den konstante eller fulde trykfase. For eksempel: 42.000 kJ / kg H _u = 20.000 kJ / kg H _V + 22.000 kJ / kg H _P . Jo mere energi til den konstante rumfase, jo højere effektivitet.

${\ displaystyle T_ {3} = T_ {2} + {\ frac {H_ {V}} {m_ {H} c_ {V}}}}$; Temperatur efter forbrænding i samme rum. m _H er den specifikke opvarmningsmasse til brændstofmasse (kg / kg). For et luftforhold på = 1 kræves der 18 kg luft og resterende udstødningsgas pr. Kg benzin , dvs. ca. 20% mere end minimumet for luft. c _V = c _p / k.${\ displaystyle \ lambda}$

${\ displaystyle T_ {4} = T_ {3} + {\ frac {H_ {P}} {m_ {H} c_ {p}}}}$; Maksimal temperatur efter konstant trykforbrænding. m _H er den specifikke opvarmningsmasse pr. brændstofmasse (kg / kg). Et luftforhold på = 1,4 kræver 25 kg luft og overskydende luft og resterende udstødningsgas pr. Kg diesel . c _p = c _V * κ. Den specifikke varmekapacitet c _{p for} varmemassen (brændstofgas eller udstødningsgas ved ca. 1000 ° C) er ca. 1,2 kJ / (kg K), for c _v ca. 0,9 kJ / (kg K).${\ displaystyle \ lambda}$

Trykforøgelsesforhold

Trykstigningen p ₃ / p _{2 også} svarer til temperaturstigningen T ₃ / T ₂ under konstant space fase. Den absolutte stigning i trykket p ₃ -p ₂ er direkte afhængig af den valgte specifikke energiforsyning H _V .

${\ displaystyle \ xi = {\ frac {H_ {V}} {m_ {H} c_ {V} T_ {2}}} + 1}$; Antallet af trykforøgelse. H _V er varmeenergien (kJ / kg) for den konstante rumfase. Jo højere trykstigning, jo højere effektivitet.

${\ displaystyle p_ {3} = p_ {2} \ cdot \ xi}$   og   ; Tryk og temperatur efter forbrænding i samme rum. p ₃ er det maksimale tryk.${\ displaystyle T_ {3} = T_ {2} \ cdot \ xi}$

Rumforøgelsesforhold

Den volumenforøgelse V ₄ / V _{3 også} svarer til den temperaturstigning T ₄ / T ₃ under lige-tryk fase. Den absolutte stigning i temperaturen T ₄ -T ₃ opstår direkte fra den resterende (H _u - H _V ), specifik energitilførsel H _P .

${\ displaystyle \ psi = {\ frac {H_ {P}} {m_ {H} c_ {p} T_ {3}}} + 1}$; Forøgelse af temperatur og volumen for ligetryksprocessen. T ₁ er starttemperaturen efter indsugningscyklussen før kompression og H _{u er} den specifikke tilførte varmeenergi (kJ / kg) for hele arbejdscyklussen. Hvis det er kendt, kan følgende formel også anvendes:${\ displaystyle \ xi}$

${\ displaystyle \ psi = {\ frac {H_ {u}} {m_ {H} c_ {p} T_ {1} \ varepsilon ^ {\ kappa -1} \ xi}} - {\ frac {1} {\ kappa}} + {\ frac {1} {\ kappa \ xi}} + 1}$

${\ displaystyle T_ {4} = T_ {3} \ cdot \ psi}$   og   ; Temperatur og volumen efter lige trykforbrænding. T ₄ er den maksimale temperatur.${\ displaystyle V_ {4} = V_ {3} \ cdot \ psi}$

Dieselmotor

I dieselmotoren implementeres disse fem procestrin som følger:

• (1 - 2) Stemplet bevæger sig mod det øverste dødpunkt. Luften i cylinderen komprimeres. Der er arbejdet i luften.
• (2 - 3) Dieselbrændstoffet indsprøjtes i forbrændingskammeret inden øverste dødcenter. Den høje temperatur i komprimeret luft antænder indsprøjtningsstrålen, og den indre energi i brændstoffet frigives i form af varme. I dette procestrin finder dette oprindeligt sted med et omtrentligt konstant volumen.
• (3 - 4) Da forbrændingen fortsætter ud over det øverste dødpunkt, øges temperaturen yderligere ved omtrent det samme tryk som forbrændingsgasserne.
• (4 - 5) Forbrændingen slutter nu, og forbrændingsgassen slapper af, mens entropien forbliver den samme. Teknisk arbejde udføres på stemplet (kraft gange forskydning). Forbrændingsgasens volumen øges, tryk og temperatur falder, indtil stemplet når bundens dødpunkt.
• (5 - 1) Udstødningsventilen åbnes, den varme udstødningsgas forlader forbrændingskammeret med overtryk. Restgas og varme udvises med lidt modtryk.

Benzinmotor

I benzinmotoren implementeres disse fem procestrin som følger:

• (1 - 2) Stemplet bevæger sig mod det øverste dødpunkt og luft-brændstofblandingen komprimeres. Dette betyder, at der arbejdes på luft-brændstofblandingen.
• (2 - 3) Tændrøret starter forbrændingen af ​​luft-brændstofblandingen før det øverste dødpunkt og brændstofets indre energi frigives i form af varme og tryk. Dette gøres oprindeligt med omtrent det samme volumen (isochorisk).
• (3-4) Efter stemplets øverste døde centrum når forbrændingen det maksimale tryk før den maksimale temperatur, som opretholdes (isobar), indtil hovedparten af ​​blandingen brændes og temperaturen falder igen.
• (4 - 5) Blandingen brænder nu fuldstændigt, og brændstofgassen slapper fortsat, mens entropien forbliver den samme, indtil stemplet når det nederste dødpunkt. I denne procesfase udføres teknisk arbejde med stemplet (arbejdscyklus).
• (5 - 1) Udstødningsventilen åbnes, og udstødningsgassen undslipper først ved resttrykket og derefter ved stemplets opadgående bevægelse. Energi spredes i form af resttryk og varme.

Rigtig proces i firetakt

Logaritmisk pV-diagram til firetaktsmotorer (inklusive gasudveksling)

Indsugning og udskubning er forbundet med friktion og pumpetab (sløjfe mod uret i pV-diagrammet til gasudvekslingsarbejde). Forinjektion og forantænding finder sted i god tid før øverste dødcenter, hvilket også har en negativ indvirkning på den nyttige arbejdsbalance. En del af forbrændingsenergien (ud over den endotermiske dannelse af nitrogenoxid og andre skadelige udstødningsgasser) går tabt uden arbejde gennem varmeoverførsel til forbrændingskammervæggene. Det maksimale tryk er lavere end det beregnede tryk på grund af forseglingstab. Ekspansionskurven er således under det ideelle forløb. Udløbsventilen åbnes før bundens dødpunkt, som afrunder og reducerer procesområdet (arbejdsydelse).

Se også

• Carnot-proces (teoretisk maksimal termodynamisk effektivitet)

litteratur

• Wolfgang Kalide: Stempel og flowmaskiner . 1. udgave. Carl Hanser Verlag, München / Wien 1974, ISBN 3-446-11752-0 .
• Richard van Basshuysen, Fred Schäfer: Grundlæggende håndbog om forbrændingsmotorer, komponenter, systemer, perspektiver. 3. Udgave. Friedrich Vieweg & Sohn / GWV Fachverlage, Wiesbaden 2005, ISBN 3-528-23933-6 .
• Heinz Herwig: Teknisk termodynamik . 1. udgave. Pearson Studium, München 2007, ISBN 978-3-8273-7234-5 .
• Heinz Grohe: Otto og dieselmotorer . 11. udgave. Kamprath-serien, Vogel Buchverlag, ISBN 3-8023-1559-6

Weblinks

• Seiliger cyklus .
• Den perfekte motor . ( Memento fra 8. november 2009 i Internetarkivet ) FH-Frankfurt
• Termodynamik . (PDF; 9,7 MB) München-universitetet
• Universitetet i Duisburg-Essen (PDF; 2,6 MB)