بررسی سیکل اتو در موتورهای احتراق داخلی
دانشجو:…………………..
شماره دانشجویی:…….
استاد:…………
یک سیکل ترمودینامیکی به مجموعه فرآیند هایی اطلاق می شود که با یکدیگر در ارتباط هستند. در این فرآیندها دما، فشار، آنتروپی و دیگر متغیرهای حالت، تغییر می کنند و نهایتا سیستم به حالت اولیه خود باز می گردد. مهم ترین مشخصه چنین سیکلی، تبادل حرارت و کار با محیط اطرافش است.
چرخه اتو یا سیکل اتو
چرخه اتو یا سیکل اتو در علم ترمودینامیک چرخه ی ایده آل موتور های احتراق داخلی جرقه ای است.این چرخه ترمودینامیکی از دو فرآیند حجم ثابت و دو فرآیند آنتروپی ثابت تشکیل شده است.
بررسی چرخه موتورهای احتراق داخلی
موتورهای احتراق داخلی موتورهای گرمایی هستند که در آنها انرژی شیمیایی موجود در سوخت توسط احتراق یا اکسیداسیون با هوا در داخل محفظهای به نام محفظه احتراق ، به انرژی حرارتی تبدیل میشود. این انرژی حرارتی، باعث افزایش دما و فشار گازهای داخل موتور میگردد، سپس گاز با فشار زیاد، در برابر مکانیزم های مکانیکی منبسط میشود ، این انبساط توسط اتصالات مکانیکی دیگری به محور خروجی منتقل میگردد که این محور خروجی به مجموعه انتقال قدرت متصل بوده و انرژی را به خروجی مورد نظر تبدیل می کند.
در این بحث با توضیح مختصری درباره برخی از مفاهیم و اصطلاحات ترمودینامیک به تشریح سیکل ترمودینامیک موتورهای احتراق داخلی می پردازیم.
مفاهیم و اصطلاحات ترمودینامیک
سیستم: سیستم به کمیتی از جسم با جرم و هویت ترمودینامیکی مشخص میگویند. به عبارت دیگر مجموعه ای از اجزایی(مانند سیلندر و پیستون) است که با هم کار میکنند و هدف معینی را دنبال می کنند.
سیکل یا چرخه: وقتی که یک سیستم از حالت اولیه چندین تغییر حالت یا فرآیند متفاوت را طی کند و در نهایت به حالت اولیهٔ خود باز گردد سیستم یک سیکل (چرخه) را طی کرده است. مانند موتورهای چهار زمانه که چهار فرآیند مکش ، تراکم ، احتراق و تخلیه را طی کرده و دومرتبه از ابتدا مکش شروع شده و روند قبلی تکرار میگردد .
سیکل ایده آل : به سیکلی میگویند که در آن بسیاری از اثرات نامطلوب مانند اصطکاک و برگشت ناپذیری صرف نظر میشود. مثلا در یک موتور از اصطکاک بین سیلندر و پیستون و غیره صرف نظر کنیم .
فرآیند برگشت پذیر :فرآیندی که بدون بر جای گذاشتن هیچ گونه اثری روی محیط می تواند معکوس شود . یعنی سیستم و اطراف هر دو در انتهای فرآیند به حالت های اولیه خود باز میگردند را فرآیند برگشت پذیر میگویند. به طور مثال گازهای خروجی موتور دو مرتبه به شرایط ابتدایی خود باز میگردند و دومرتبه به داخل موتور مکش میشوند.
فرآیند بی دررو یا آدیاباتیک: فرآیندی است که در طول مدت زمان انجام واکنش گرما بین سیستم و محیط مبادله نمی شود. به طور مثال در مرحله تراکم موتور دیزل هوا داخل سیلندر متراکم میشود و به دلیل تراکم هوا دمای هوا
خود به خود زیاد میگردد بدون این که ما به هوای درون سیلندر گرما بدهیم و این گرمای هوا سبب اشتعال سوخت
میگردد.
فرآیند هم دما یا دما ثابت: فر آیند ترمودینامیکی است که در طول یک فرآیند دمای سیستم ثابت باشد. یعنی سیستم عایق بوده و از محیط گرما نگیرد. به طور مثال در یک سیستم از نقطه C تا D دمای سیستم ثابت باشد و تغییر نکند.
فرآیند هم فشار یا فشار ثابت:فرآیندی ترمودینامیکی است که در طول فرایند فشار سیستم ثابت باشد به طور مثال در سیکل اتو فرایند B-C فشار سیستم تغییر نمیکند و ثابت میماند.
فرآیند هم حجم یا حجم ثابت: فرآیندی ترمودینامیکی است که در طول فرایند حجم سیستم ثابت باشد به طور مثال در سیکل دیزل فرایند B-C حجم سیستم تغییر نمیکند و ثابت میماند.
فرایند آیزنتروپیک یا فرآیند هم آنتروپی: فرآیندی که در طی آن میزان آنتروپی (بی نظمی ) سیستم ثابت میماند. به طورمثال فرایند تراکم در سیکل اتو و دیزل یک فرآیند آیزنتروپیک است.
نکته: هر فرآیندی که هم برگشت پذیر باشد و هم بی دررو باشد یک فرآیند آیزنتروپیک است.
گاز کامل : گازی است که بین مولکول های آن جاذبه ای وجود ندارد مولکول های چنین گازی کاملا از هم جدا بوده و از نیروی جاذبه یکدیگر مستقل هستند. بنابراین انرژی منتقل شده به یک گاز ایده آل هیچ تاثیری روی انرژی پتانسیل آن نخواهد داشت.
Wیا کار: مقدار کاری است که سیستم به ما تحویل می دهد.
QHیاQinیاگرمای ورودی: مقدار گرمایی است که ما به سیستم میدهیم تا در ازای آن سیستم برای ما کار انجام دهد.
QCیا Qoutیاگرمای خروجی: مقدار گرمایی است که سیستم از دست میدهد.
1- سیکل موتورهای احتراق جرقه ای( اتو)
در علم ترمودینامیک سیکل ایدهآل موتورهای احتراق داخلی جرقهای سیکل اتو میباشد که عملکرد یک موتور بنزینی را تخمین میزند و از دو فرایند هم حجم و دو فرایند آیزنتروپیک تشکیل شده است.
دراین سیکل با فرض این که در مرحله ی احتراق ماده (آمیزه هوا وسوخت) در بالاترین دما و فشار قرار میگیرد و به بالاترین نقطه انبساطی میرسد و کار انجام میدهد ولی نمیسوزد و در مرحله ی تخلیه نیز سرد میشود به طوری که به ماده اولیه( آمیزه) تبدیل شده و در سیکل بعدی دومرتبه شرکت میکند.(به صورت دود از اگزوز خارج نمیشود )
نمودار P-V یک مدل آرمانی از فرآیند ترمودینامیکی در موتور بنزینی است . در ادامه با نگاهی به کارکرد یک موتور احتراق داخلی بنزینی به رسم نمودار P-V میپردازیم.
فرایند های سیکل اتو
1- مکش: هنگامی که سوپاپ ورودی باز میگردد فرآیند مکش شروع میگردد که شروع این فرآیند نقطه o بر روی نمودار P-V است . این فرآیند تا انتهای زمان مکش که نقطه A بر روی نمودار P-Vاست ادامه دارد یعنی در نقطه A آمیزه هوا و سوخت کاملا وارد سیلندر شده و زمان مکش در این نقطه پایان می یابد.
برای رسم نمودار خطی بین نقطه 0-A رسم میکنیم . همان طور که از نمودار مشخص میگردد در این حالت V که حجم آمیزه است افزایش می یابد ولی P که فشار آمیزه است ثابت میماند.
2- تراکم : فرآیند تراکم با حرکت پیستون از BDC یعنی نقطه A روی نمودار P-Vشروع و تاTDC یعنی نقطه B نمودار ادامه مییابد در این حالت آمیزه به صورت بیدررو متراکم میگردد و به دلیل فشرده شدن و متراکم گشتن مولکولها حجم آمیزه کاهش ولی فشار آن افزایش مییابد. (تراکم آیزنتروپیک) در حالت تراکم هر دو سوپاپ بسته است .
برای رسم نمودار خطی بین نقطه A-B رسم میکنیم. همانطور که مشخص است حجم از نقطه A تا B کاهش
مییابد اما فشار روند صعودی دارد.
3- احتراق: زمان رسیدن پیستون به نقطهTDC زمان جرقه شمع است که از نقطه B تا Cطول میکشد .
در این حالت حجم ثابت اما فشار صعودی است برای رسم نمودار خطی بین نقطه B تا C رسم میکنیم همانطور که از خط رسم شده مشخص است حجم از نقطه B تا C ثابت است. اما فشار روندی صعودی دارد.
در این فرآیند QH مقدار گرمایی است که به منظور انجام کار به سیستم داده میشود. که توسط شمع صورت میگیرد.
4- انجام کار: پس از جرقه شمع، و گرمای QH داده شده به سیستم و مرحله ی قدرت انبساط بی دررو از نقطه Cتا نقطه ی d شکل میگیرد (انبساط آیزنتروپیک) .
بر اثر انفجار صورت گرفته دمای سیستم زیاد میشود درنتیجه به دلیل گرما مولکولها منبسط میشوند در نتیجه افزایش حجم خواهیم داشت ولی به دلیل پائین رفتن پیستون فشار کاهش مییابد هرچه پیستون بهBDC نزدیکتر میشود فشار کمتر و حجم بیشتر میشود برای رسم نمودار خطی از نقطه Cبه نقطه D رسم میکنیم همان طور که از نمودار رسم شده نیز مشخص است حجم از نقطه C تاD رفته رفته افزایش می یابد ولی فشار روند نزولی دارد.
5- کاهش فشار: در طی این فرایند ، گرمای QC خارج میشود و گاز تا دمای هوای بیرون خنک میشود (سیستم گرما از دست می دهد).
در این هنگام پیستون از BDC به TDC حرکت میکند و سوپاپ تخلیه باز میباشد درنتیجه فشار سیستم کاهش
مییابد و حجم ثابت میباشد. برای رسم نمودار خطی از نقطه از نقطه D به A رسم می کنیم.
همان طور که از نمودار رسم شده نیز مشخص است فشار در نقطهD به یک باره کاهش مییابد و حجم ثابت میباشد.
6- تخلیه: در ادامه فرآیند قبلی سوپاپ تخلیه همچنان باز بوده پیستون به سمت بالا حرکت میکند. در این فرآیند فشار ثابت ولی به دلیل خروج گازها از سیلندر حجم به یک باره کاهش مییابد.
برای رسم نمودار خطی از نقطه A به نقطه 0رسم میکنیم. همانطور که از نمودار رسم شده نیز مشخص است حجم در نقطه A به یک باره کاهش مییابد و فشار ثابت میماند.
بدین ترتیب نمودار سیکل اتو برای موتورهای احتراق داخلی بنزینی در حالت تئوری مطابق شکل زیر میباشد.
نمودار رسم شده نحوه عملکرد سیستم را در حالت تئوری بیان میکند که با سیکل عملی متفاوت می باشد در سیکل تئوری به منظور انجام مطالعه و محاسبه آسان تر از برخی موارد صرف نظر میشود که منجر به تفاوت هایی بین سیکل عملی و تئوری میشود.
راندمان سیکل ایده آل اتو
در مبحث سیکل های ترمودینامیکی بیان کردیم که راندمان یک سیکل ایده آل معادل با نسبت کار خالص خروجی به گرمای ورودی به سیستم است. در حقیقت راندمان یک سیکل را می توان مطابق با رابطه زیر بیان کرد:
در این سیکل نیز همانند بقیه سیکل های ترمودینامیکی گرمای ورودی به سیستم مثبت و گرمای خروجی از آن منفی در نظر گرفته می شود.
در سیکل اتو گرمای دریافتی در طی فرآیند احتراق و در حجم ثابت اتفاق می افتد. با توجه به اینکه گرما در فرآیند ۲-۳ (قسمت سوم احتراق) رخ می دهد. از این رو می توان تغییرات انرژی درونی در این فرآیند ها را برابر با گرمای ورودی به سیستم در نظر گرفت. در نتیجه می توان گفت:
با توجه به این که این فرآیند به صورت حجم ثابت در نظر گرفته شده ، بنابراین می توان تغییرات انرژی درونی را به شکل زیر و وابسته به دمای اولیه و نهایی نوشت.
روابط مربوط به دفع حرارت از آنجایی که دفع حرارت در فرآیند ۱→۴ اتفاق می افتد، (مرحله 5کاهش فشار)می توان نوشت:
ا توجه به مقادیر بدست آمده راندمان سیکل برابر است با:
با توجه به آیزنتروپیک بودن فرآیند ۱-۲ و ۳-۴، نسبت دمایی سمت چپ رابطه بالا را به شکل زیر و بر حسب نسبت حجم در این دو نقطه بیان می کنیم.
مقدار v2/v1 را نسبت تراکم می نامند و آن را با r نمایش می دهند. با توجه به فرض های صورت گرفته، راندمان سیکل بر حسب r، به صورت زیر بدست می آید.
تفاوت بین سیکل تئوری و سیکل عملی
1- در سیکل تئوری سیال عامل گاز ایدهآل بوده اما در سیکل عملی گاز واقعی میباشد.
2- در سیکل تئوری سیال عامل در همه سیکل ها یکی است اما در سیکل عملی گازهای ورودی با خروجی در هرسیکل با سیکل دیگر متفاوت است.
3- در سیکل تئوری فرآیند تراکم و انبساط آدیاباتیک است ولی در سیکل عملی این طور نیست.
4- در سیکل تئوری مقدار سیال وابسته به سیکل نیست. اما در سیکل عملی مقدار سیال وابسته به سیکل است .
5- در سیکل تئوری انتقال حرارت از منبع گرم به سرد (هدر رفتن گرما) و اصطکاک وجود ندارد ولی در سیکل عملی وجود دارد.
6- در سیکل تئوری فرآیند و سیکل بازگشت پذیر است اما در سیکل عملی بازگشت ناپذیر است.
نمودار سیکل عملی اتو مطابق با شکل می باشد.
نمودار دیگری نیز به مطالعه موتورهای احتراق داخلی با سیکل اتو میپردازد که نمودار T-S نام گذاری میگردد این نمودار برحسب دما و آنتروپی به بررسی این سیکل میپردازد .
منابع
پوستی ،بهرام ،ترمودینامیک با نگرش مهندسی ،تهران ،متفکران ،1392
گروه علمی سپاهان،مبانی ترمو دینامیک،اصفهان،سپاهان،1388