سیکل موتورهای احتراق داخلی

بررسی چرخه موتورهای احتراق داخلی

موتورهای احتراق داخلی موتورهای گرمایی هستند که در آن ها انرژی شیمیایی موجود در سوخت توسط احتراق یا اکسیداسیون با هوا در داخل محفظه ای به نام محفظه احتراق ، به انرژی حرارتی تبدیل می شود. این انرژی حرارتی، باعث افزایش دما و فشار گازهای داخل موتور می گردد، سپس گاز با فشار زیاد، در برابر مکانیزم های مکانیکی منبسط می شود .

اصطلاحات ترمودینامیکی
برای بررسی سیکل موتورهای احتراق داخلی لازم است تا چند اصطلاح ترمودینامیکی را مرور کنیم.

سیستم
سیستم به کمیتی از جسم با جرم و هویت ترمودینامیکی مشخص می گویند. به عبارت دیگر مجموعه ای از اجزایی(مانند سیلندر و پیستون) است که با هم کار می کنند 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 اولیه 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 می گردد.

سیکل ایده آل
به سیکلی می گویند که در آن بسیاری از اثرات نامطلوب مانند اصطکاک و برگشت ناپذیری صرف نظر می شود. 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 می گردند را فرآیند برگشت پذیر می گویند. به طور مثال گازهای خروجی موتور دو مرتبه به شرایط ابتدایی خود باز می گردند و دومرتبه به داخل موتور مکش می شوند.

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 سیکل تئوری دیزل در انتهای زمان تراکم به دلیل متراکم شدن مولکول های هوا سوخت مشتعل می شود .

فرآیند هم دما یا دما ثابت
فرآیند 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
فرآیند ترمودینامیکی است که در طول فرایند فشار سیستم ثابت باشد به طور مثال در سیکل تئوری دیزل فرایند B-C فشار سیستم تغییر نمی کند و ثابت می ماند.

فرآیند هم حجم یا حجم ثابت
فرآیند ترمودینامیکی است که در طول فرایند حجم سیستم ثابت باشد به طور مثال در سیکل اتو فرایند B-C حجم سیستم تغییر نمی کند و ثابت می ماند.

فرایند آیزنتروپیک یا فرآیند هم آنتروپی
فرآیندی که در طی آن میزان آنتروپی (بی نظمی ) سیستم ثابت می ماند. به طورمثال فرایند تراکم در سیکل تئوری اتو و دیزل یکفرایند آیزنتروپیک است.

نکته: هر فرآیندی که هم برگشت پذیر باشد و هم بی در رو 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 می دهیم تا در ازای آن سیستم برای ما کار انجام دهد.

QCیا Qoutیاگرمای خروجی
مقدار گرمایی است که سیستم از دست می دهد.

سیکل موتورهای احتراق جرقه ایی (اتو)

سیکل موتورهای احتراق جرقه ای( اتو)
در علم ترمودینامیک سیکل ایده آل موتور های احتراق داخلی جرقه ای سیکل اتو می باشد که عملکرد یک موتور بنزینی را تخمین می زند و از دو فرآیند هم حجم و دو فرایند آیزنتروپیک تشکیل شده است.
دراین سیکل با فرض این که در مرحله ی احتراق آمیزه هوا وسوخت در بالاترین دما و فشار قرار می گیرد و به بالاترین نقطه انبساطی می رسد و کار انجام می دهد ولی نمی سوزد و در مرحله ی تخلیه نیز سرد می شود به طوری که به ماده اولیه( آمیزه) تبدیل شده و در سیکل بعدی دومرتبه شرکت می کند.(به صورت دود از اگزوز خارج نمی شود )

مکش
فرآیند فشار ثابت از نقطه0 تا A بر روی نمودار P-V

تراکم آیزنتروپیک
در این فرآینداز نقطه Aتا B آمیزه به صورت بی دررو متراکم می گردد .
حجم آمیزه کاهش ولی فشار آن افزایش می یابد.

احتراق

در این فرآیند از نقطه B تا C گرمای QHبه منظور انجام کار به سیستم داده می شود.

در این فرآیند حجم تغییری پیدا نمی کند اما فشار روند صعودی دارد.

کار( انبساط آیزنتورپیک)
پس از گرمای QH داده شده به سیستم مرحله ی قدرت و انبساط بی دررو از نقطه Cتا نقطه ی d است. که به دلیل انفجار دمای سیستم زیاد شده پس مولکول ها منبسط می شوند در نتیجه افزایش حجم خواهیم داشت ولی به دلیل پائین رفتن پیستون فشار کاهش می یابد.

کاهش فشار در حجم ثابت
در این فرآیند حجم ثابت سیستم از نقطه Dتا A گرما ( QC) از دست می دهد و گاز تا دمای هوای بیرون خنک می شود و فشار سیستم کاهش می یابد.

تخلیه
در این فرآیند فشار ثابت به دلیل خروج گازها از سیلندرحجم از نقطه Aتا O کاهش می یابد.

سیکل تئوری اتو
به دلیل این که در سیکل تئوری فرض می شود که گاز سوخته شده سرد شده و دومرتبه به حالت اولیه خود برگشته و دوباره در سیستم استفاده می شود سیکل تئوری اتو به شکل زیر می باشد.

تفاوت بین سیکل تئوری و سیکل عملی
سیکل عملی

سیکل تئوری

نمودار T-S
T-S نمودار دیگری است که به مطالعه موتورهای احتراق جرقه ای می پردازد.

موتورهای احتراق تراکمی (دیزل)

سیکل موتور های احتراق تراکمی
در علم ترمودینامیک چرخه ایده آل برای موتور های احتراق تراکمی ، چرخه دیزل است. این چرخه ترمودینامیکی از یک فرآیند هم حجم، یک فرآیند هم فشار و دو فرآیند 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.

فرآیند های سیکل دیزل

مکش
مکش هوا در فشار ثابت از نقطه o تاA صورت می گیرد در این فرآیند حجم افزایش می یابد.

تراکم آیزنتروپیک
با حرکت پیستون از نقطه AتاB سیال به صورت بی دررو متراکم می گردد. و دمای آن تا دمای اشتعال سوخت زیاد می شود. در این فرآیند حجم کاهش ولی فشار افزایش می یابد.

ورود حرارت
انتهای زمان تراکم از نقطه B تا Cزمان تزریق سوخت است.
در این حالت فشار برعکس سیکل اتو فشار ثابت می ماند اما حجم افزایش می یابد. تفاوت عمده سیکل اتو و دیزل نیز در همین نکته می باشد .
در این فرآیند QH مقداری گرمایی است که به منظور انجام کار به سیستم داده می شود.

انجام کار(انبساط آیزنتروپیک)
گرمای QH توسط سوخت در حال اشتعال به سیستم داده می شود و مرحله ی قدرت یا انبساط بی دررو از نقطه Cتا نقطه ی d شکل می گیرد.
در این فرآیند حجم افزایش ولی فشار کاهش می یابد.

کاهش فشار و دفع حرارت در حجم ثابت
در طی این فرایند از نقطه D تا A سیستم گرما (QC) ازدست می دهد و گاز تا دمای هوای بیرون خنک می شود.
در این فرآیند حجم ثابت ولی فشار کاهش می یابد.

تخلیه یا خروج گازها
در این فرآینداز نقطه A تا o فشار ثابت ولی به دلیل خروج گازها از سیلندر حجم کاهش می یابد.

سیکل تئوری دیزل
به دلیل این که در سیکل تئوری فرض می شود که گاز سوخته شده سرد شده و دومرتبه به حالت اولیه خود برگشته و دوباره در سیستم استفاده می شود سیکل تئوری دیزل به شکل زیر می باشد.

تفاوت بین سیکل عملی و تئوری دیزل
سیکل تئوری
سیکل عملی

نمودار T-S
T-S نمودار دیگری است که به مطالعه موتورهای احتراق اشتعالی می پردازد.

سپاس از توجه شما