بررسی سیکل دیزل در موتورهای احتراق داخلی
دانشجو:…………………..
شماره دانشجویی:…….
استاد:…………
چرخه دیزل ( سیکل دیزل: (Diesel cycle)( در علم ترمودینامیک چرخه ی ایده آل موتور های احتراق داخلی اشتعال تراکمی است.این چرخه ترمودینامیکی از یک فرایند هم حجم، یک فرایند هم فشار و دو فرایند هم آنتروپی ثابت تشکیل شده است.
نام این چرخه، از نام رودلف دیزل، مهندس آلمانی و مخترع موتور دیزل گرفته شده است.
در شکل زیر چرخه استاندارد دیزل روی نمودار p-v و T-s نشان داده شده است. این سیکل در موتورهای دیزلی بکار میرود.
در ادامه تحقیق به بررسی این سیکل می پردازیم:
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.
سیکل احتراق تراکمی (دیزل)
در علم ترمودینامیک چرخه ایدهآل برای موتور های احتراق تراکمی ، چرخه دیزل است. این چرخه ترمودینامیکی از یک فرایند هم حجم، یک فرآیند هم فشار و دو فرایند آنتروپی ثابت تشکیل شده است.
موتورهای دیزل، بدون نیاز به یک جرقه الکتریکی می توانند ماده سوختنی را شعله ور سازند. در این موتورها برای شعله ور ساختن سوخت از حرارت های بالا استفاده می شود. برای سوزاندن یک ماده سوختی به دو عامل حرارت و اکسیژن نیاز است. اکسیژن از طریق مجاری ورودی موتور وارد محفظه سیلندر می شود و سپس بوسیله پیستون متراکم می گردد. این فشردگی آنچنان زیاد است که باعث ایجاد حرارت بسیار بالا می گردد. سپس عامل سوم یعنی ماده سوختنی به گرما و اکسیژن افزوده می شود که در نتیجه آن سوخت شعله ور می شود.
فرآیند های سیکل دیزل
1- مکش: مکش هوا در فشار ثابت از نقطه 0 شروع میگردد و در نقطه ی A هوا وارد سیلندر شده است.
هنگامی که سوپاپ ورودی باز میگردد فرآیند مکش شروع شده که شروع این فرآیند نقطه 0بر روی نمودار P-V است. این فرآیند تا انتهای زمان مکش که نقطه A بر روی نمودار P-V است، ادامه خواهد داشت.
برای رسم نمودار خطی بین نقطه 0- A رسم میکنیم . همانطور که از نمودار مشخص میگردد در این حالت V که حجم هوا است افزایش مییابد و P یعنی فشار هوا ثابتمیباشد.
2- تراکم : با حرکت پیستون به سمت بالا سیال به صورت بی دررو متراکم میگردد. (تراکم آیزنتروپیک)
فرآیند تراکم از نقطه Aشروع و تا نقطه B ادامه دارد در این حالت هوا متراکم شده و دمای آن تا دمای اشتعال سوخت زیاد میشود. و به دلیل فشرده شدن و متراکم گشتن مولکولهای هوا حجم آن کاهش ولی فشار آن افزایش مییابد.
برای رسم نمودار خطی بین نقطه A-B رسم می کنیم. همان طور که گفته شده از خط رسم شده مشخص است که حجم از نقطه A تا B کاهش می یابد اما فشار روند صعودی دارد.
3- ورود حرارت : انتهای زمان تراکم هنگام رسیدن پیستون به نقطهTDC زمان تزریق سوخت است که در نمودار از نقطه B تا Cاست.
در این حالت فشار برعکس سیکل اتو فشارثابت اما حجم افزایش مییابد . تفاوت عمده سیکل اتو و دیزل نیز در همین نکته میباشد .
برای رسم نمودار خطی بین نقطه B تا C رسم میکنیمهمان طور که از خط رسم شده نیز مشخص است حجم از نقطه B تا C افزایش مییابد اما فشار ثابت است.
در این فرآیند Q H مقداری گرمایی است که به منظور انجام کار به سیستم داده میشود.
نکته:در موتور های اشتعال تراکمی به دلیل تاخیر در اشتعال سوخت و زمان محدود برای پاشش سوخت ، احتراق تا بخشی از مرحله انبساط به طول میانجامد این نکته باعث ثابت نگه داشتن فشار تا مقادیر حداکثر پس از TDC می شود.
4- انجام کار: گرمای QH توسط سوخت در حال اشتعال به سیستم داده میشود و مرحله ی قدرت یا انبساط بی دررو از نقطه Cتا نقطه ی d شکل می گیرد. (انبساط آیزنتروپیک)
بر اثر اشتعال صورت گرفته دمای سیستم زیاد می شود درنتیجه به دلیل گرما مولکول های منبسط میشود در نتیجه افزایش حجم خواهیم داشت و به دلیل پائین رفتن پیستون ، فشار کاهش مییابد هرچه پیستون بهBDC نزدیکتر میشود فشار کمتر و حجم بیشتر خواهد شد 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 افزایش مییابد ولی فشار روند نزولی دارد.
5- کاهش فشار و دفع حرارت در حجم ثابت: در طی این فرایند ، گرمای QC خارج میشود و گاز تا دمای هوای بیرون خنک میشود. (سیستم گرما ازدست میدهد)
دراین هنگام پیستون از BDC به TDC حرکت میکند و سوپاپ تخلیه باز میباشد درنتیجه فشار سیستم کاهش مییابد ولی حجم ثابت می ماند.برای رسم نمودار خطی از نقطه از نقطه D به A رسم میکنیم. همان طور که از نمودار رسم شده نیز مشخص است فشار در نقطه D به یک باره کاهش مییابد ولی حجم ثابت می ماند.
6- تخلیه یا خروج گازها: در ادامه فرآیند قبلی سوپاپ تخلیه همچنان باز بوده پیستون به سمت بالا حرکت میکند. در این فرآیند فشار ثابت بوده ولی به دلیل خروج گازها از سیلندر حجم به یک باره کاهش می یابد.
برای رسم نمودار خطی از نقطه A به نقطه 0 رسم می کنیم. همانطور که از نمودار رسم شده نیز مشخص است حجم در نقطه A به یک باره کاهش مییابد ولی فشار تغییری میکند.برای رسم نمودار خطی از نقطه A به نقطه 0 رسم
میکنیم. همان طور که از نمودار رسم شده نیز مشخص است حجم در نقطه A به یک باره کاهش می یابد ولی فشار تغییری نمیکند.
بنابراین نمودار کامل شده سیکل دیزل مطابق شکل میباشد.
نمودار نشان داده شده حالت تئوری سیکل دیزل را بیان میکند که با نمودار چرخه عملی متفاوت است .
راندمان حرارتی سیکل دیزل
نسبت کار خالص خروجی به حرارت ورودی به یک سیکل ترمودینامیکی، راندمان آن را نشان می دهد.در حقیقت راندمان یک سیکل ترمودینامیکی دیزل برابر است با رابطه 1:
در رابطه بالا QH حرارت ورودی به سیکل و W کار خالص خروجی از سیستم است. از طرفی اگر حرارت خارج شده از سیستم را با QC نشان دهیم، با توجه به قانون اول ترمودینامیک می توان رابطه 2 را بیان کرد :
حرارت خارج شده از سیستم + کار خروجی =حرارت وارد شده به سیستم
QH=QC+W
پس با توجه به رابطه 1و2 راندمان سیکل حرارتی برابر است با
در رابطه بالا Cp ضریب انتقال حرارت در فشار ثابت و Cv ضریب انتقال حرارت در حجم ثابت را نشان می دهد. با استفاده از دو رابطه بالا راندمان سیکل دیزل برابر است با:
در رابطه بالا k برابر با نسبت Cp/Cv است. رابطه بالا را می توان بر حسب نسبت تراکم و "نسبت انقطاع" (Cut-off ratio) به شکل زیر بیان کرد:
نمودار چرخه عملی تا حدودی مطابق شکل میباشد.
نمودار T-S نمودار دیگری است که به مطالعه موتورهای احتراق اشتعالی میپردازد.
منابع
پوستی ،بهرام ،ترمودینامیک با نگرش مهندسی ،تهران ،متفکران ،1392
گروه علمی سپاهان،مبانی ترمو دینامیک،اصفهان،سپاهان،1388