Wir verwenden Cookies, um Inhalte zu personalisieren und den Website-Verkehr zu analysieren, um die Benutzererfahrung zu verbessern. Sie können Ihre Cookie-Einstellungen jederzeit ändern. Show
Bestimmte Arten von Cookies sind für die Nutzung unserer Website unerlässlich. Sie können sich dafür entscheiden, einige Cookie-Arten zu deaktivieren, jedoch kann das die Dienstleistungen, die wir Ihnen anbieten können, einschränken. Unbedingt notwendigDiese Cookies ermöglichen wesentliche Funktionen wie die sichere Anmeldung. Sie sammeln auch Informationen darüber, wie Sie unsere Website nutzen und welche Fehler auftreten können. Funktionell und analytischCookies, die es uns anonym ermöglichen, Ihre Nutzung unserer Website zu analysieren, unsere Dienstleistungen zu verbessern, die Videowiedergabe (YouTube) zu ermöglichen und Einstellungen zu speichern, um Ihre Nutzererfahrung zu verbessern. Wenn wir diese eingeschaltet lassen, können wir den Support, den wir Ihnen bei der Nutzung unserer Website bieten, verbessern. In den 1890er Jahren hat der deutsche Erfinder Rudolf Diesel seine Erfindung eines effizienten, langsam brennenden Verbrennungsmotors mit Selbstzündung patentieren lassen. Der von Rudolf Diesel vorgeschlagene ursprüngliche Zyklus war ein Zyklus mit konstanter Temperatur. In späteren Jahren erkannte Diesel, dass sein ursprünglicher Zyklus nicht funktionieren würde und er übernahm den konstanten Druckzyklus, der als Dieselzyklus bekannt ist . Der Dieselzyklus ist einer der häufigsten thermodynamischen Zyklen in Kraftfahrzeugmotoren und beschreibt die Funktionsweise eines typischen Kolbenmotors mit Selbstzündung. Der Dieselmotor arbeitet ähnlich wie der Benziner. Der wichtigste Unterschied ist, dass:
Im Gegensatz zum Otto-Zyklus führt der Diesel-Zyklus keine isochore Wärmezufuhr durch. In einem idealen Dieselzyklus durchläuft das System, das den Zyklus ausführt, eine Reihe von vier Prozessen: zwei isentrope (reversible adiabatische) Prozesse, die sich mit einem isochoren Prozess und einem isobaren Prozess abwechseln.Da das Carnot-Prinzip besagt, dass kein Motor effizienter sein kann als ein reversibler Motor ( eine Carnot-Wärmekraftmaschine ), der zwischen denselben Hochtemperatur- und Niedertemperaturbehältern betrieben wird, muss der Dieselmotor einen niedrigeren Wirkungsgrad als der Carnot-Wirkungsgrad haben. Ein typischer Dieselmotor arbeitet mit einem thermischen Wirkungsgrad von etwa 30% bis 35% . Etwa 65-70% werden als Abwärme verworfen, ohne in nützliche Arbeit umgewandelt zu werden, dh Arbeit, die an Räder geliefert wird. Im Allgemeinen sind Motoren mit Dieselzyklus in der Regel effizienter als Motoren mit Otto-Zyklus. Der Dieselmotor hat den höchsten thermischen Wirkungsgrad aller praktischen Verbrennungsmotoren. Dieselmotoren mit niedriger Drehzahl(wie in Schiffen verwendet) kann einen thermischen Wirkungsgrad von mehr als 50% haben . Der größte Dieselmotor der Welt erreicht mit 51,7% Spitzenwerte. Dieselzyklus – ProzesseIn einem idealen Dieselzyklus durchläuft das System, das den Zyklus ausführt, eine Reihe von vier Prozessen: zwei isentrope (reversible adiabatische) Prozesse, die sich mit einem isochoren Prozess und einem isobaren Prozess abwechseln.
Während des Dieselzyklus wird vom Gas zwischen den Zuständen 1 und 2 ( i sentropische Kompression ) am Gas gearbeitet . Die Arbeit am Kolben erfolgt zwischen den Stufen 2 und 3 ( i sobarische Wärmezufuhr ) und zwischen den Stufen 2 und 3 ( i sentropische Expansion ). Der Unterschied zwischen der vom Gas geleisteten Arbeit und der am Gas geleisteten Arbeit ist das vom Kreislauf erzeugte Netz und entspricht der von der Kreislaufkurve umschlossenen Fläche. Die durch die Zykluszeiten erzeugte Arbeit multipliziert mit der Geschwindigkeit des Zyklus (Zyklen pro Sekunde) entspricht der vom Dieselmotor erzeugten Leistung. Isentropischer ProzessEin isentropischer Prozess ist ein thermodynamischer Prozess , bei dem die Entropie des Fluids oder Gases konstant bleibt. Dies bedeutet, dass der isentrope Prozess ein Sonderfall eines adiabatischen Prozesses ist, bei dem keine Wärme- oder Materieübertragung stattfindet. Es ist ein reversibler adiabatischer Prozess . Die Annahme, dass keine Wärmeübertragung stattfindet, ist sehr wichtig, da wir die adiabatische Näherung nur in sehr schnellen Prozessen verwenden können . Isentropischer Prozess und das erste Gesetz Für ein geschlossenes System können wir den ersten Hauptsatz der Thermodynamik in Bezug auf die Enthalpie schreiben : dH = dQ + Vdp oder dH = TdS + Vdp Isentropischer Prozess (dQ = 0): dH = Vdp → W = H 2 – H 1 → H 2 – H 1 = C p (T 2 – T 1 ) (für ideales Gas ) Isentropischer Prozess des idealen Gases Der isentrope Prozess (ein Sonderfall des adiabatischen Prozesses) kann mit dem idealen Gasgesetz ausgedrückt werden als: pV κ = konstant oder p 1 V 1 κ = p 2 V 2 κ wobei κ = c p / c v das Verhältnis der spezifischen Wärme (oder Wärmekapazitäten ) für das Gas ist. Eine für konstanten Druck (c p ) und eine für konstantes Volumen (c v ) . Es ist zu beachten, dass dieses Verhältnis κ = c p / c v ein Faktor bei der Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in einem Gas und anderen adiabatischen Prozessen ist. Isochorischer ProzessEin isochorer Prozess ist ein thermodynamischer Prozess, bei dem das Volumen des geschlossenen Systems konstant bleibt (V = const). Es beschreibt das Verhalten von Gas im Behälter, das nicht verformt werden kann. Da das Volumen konstant bleibt, funktioniert der Wärmeübergang in oder aus dem System nicht mit p∆V , sondern ändert nur die innere Energie (die Temperatur) des Systems. Isochorischer Prozess und das erste Gesetz Die klassische Form des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik ist die folgende Gleichung: dU = dQ – dW In dieser Gleichung ist dW gleich dW = pdV und ist bekannt als die Grenz Arbeit . Dann: dU = dQ – pdV Beim isochoren Prozess und beim idealen Gas wird die gesamte dem System zugeführte Wärme zur Erhöhung der inneren Energie verwendet. Isochorischer Prozess (pdV = 0): dU = dQ (für ideales Gas) dU = 0 = Q – W → W = Q (für ideales Gas) Isochorischer Prozess des idealen Gases Der isochore Prozess kann mit dem idealen Gasgesetz ausgedrückt werden als: oder In einem pV-Diagramm erfolgt der Prozess entlang einer horizontalen Linie mit der Gleichung V = konstant. Siehe auch: Guy-Lussacs Gesetz Isobarer ProzessEin isobarer Prozess ist ein thermodynamischer Prozess , bei dem der Druck des Systems konstant bleibt (p = const). Die Wärmeübertragung in oder aus dem System funktioniert zwar, verändert aber auch die innere Energie des Systems. Da sich die innere Energie (dU) und das Systemvolumen (∆V) ändern, verwenden Ingenieure häufig die Enthalpie des Systems, die wie folgt definiert ist: H = U + pV Isobarer Prozess und das erste Gesetz Die klassische Form des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik ist die folgende Gleichung: dU = dQ – dW In dieser Gleichung ist dW gleich dW = pdV und ist bekannt als die Grenz Arbeit . Bei einem isobaren Prozess und dem idealen Gas wird ein Teil der dem System zugeführten Wärme für die Arbeit verwendet, und ein Teil der zugeführten Wärme erhöht die innere Energie (erhöht die Temperatur). Daher ist es zweckmäßig, die Enthalpie anstelle der inneren Energie zu verwenden. Isobarer Prozess (Vdp = 0): dH = dQ → Q = H 2 – H 1 Bei konstanter Entropie , dh im isentropischen Prozess, entspricht die Enthalpieänderung der am oder vom System durchgeführten Flussprozessarbeit . Isobarer Prozess des idealen Gases Der isobare Prozess kann mit dem idealen Gasgesetz ausgedrückt werden als: oder In einem pV-Diagramm erfolgt der Prozess entlang einer horizontalen Linie (Isobare genannt) mit der Gleichung p = Konstante. Siehe auch: Charles ‘Gesetz Isentropischer Prozess – HauptmerkmaleIsochorischer Prozess – HauptmerkmaleIsobarer Prozess – HauptmerkmaleDieselzyklus – pV, Ts-DiagrammpV-Diagramm eines idealen DieselzyklusDieselzyklen werden häufig in einem Druck-Volumen-Diagramm (pV-Diagramm) und in einem Temperatur-Entropie-Diagramm (Ts-Diagramm) aufgezeichnet. Wenn sie auf einem aufgetragen P-V-Diagramm , das isobare Verfahren der isobar Leitung für das Gas (die horizontalen Linien) folgen, der isochore Prozess der isochore Leitung für das Gas folgen (die vertikale Linie), bewegen adiabatische Prozesse zwischen diesen Leitungen und der Fläche begrenzt Durch den vollständigen Zyklusweg wird die Gesamtarbeit dargestellt, die während eines Zyklus ausgeführt werden kann. Das Temperatur-Entropie-Diagramm (Ts-Diagramm), in dem der thermodynamische Zustand durch einen Punkt in einem Diagramm mit spezifischen Entropien als horizontale Achse und absoluter Temperatur (T) als vertikaler Achse angegeben wird. Ts-Diagramme sind ein nützliches und allgemeines Werkzeug, insbesondere weil sie dazu beitragen, die Wärmeübertragung während eines Prozesses zu visualisieren. Bei reversiblen (idealen) Prozessen ist die Fläche unter der Ts-Kurve eines Prozesses die Wärme , die während dieses Prozesses auf das System übertragen wird. Viertakt-DieselmotorDieselmotoren können entweder als Zweitakt- oder Viertakt-Zyklen ausgeführt werden. Der Viertakt-Dieselmotor ist ein Verbrennungsmotor (IC), bei dem der Kolben beim Drehen einer Kurbelwelle vier separate Hübe ausführt. Ein Hub bezieht sich auf die volle Bewegung des Kolbens entlang des Zylinders in beide Richtungen. Daher entspricht nicht jeder Hub einem einzelnen thermodynamischen Prozess, der im Kapitel Dieselzyklus – Prozesse angegeben ist. Der Viertaktmotor umfasst:
Beachten Sie Folgendes: Im Idealfall sollte die adiabatische Expansion fortgesetzt werden, bis der Druck auf den der Umgebungsluft abfällt. Dies würde den thermischen Wirkungsgrad eines solchen Motors erhöhen, verursacht jedoch auch die praktischen Schwierigkeiten mit dem Motor. Der Motor müsste einfach viel größer sein. Vergleich von tatsächlichen und idealen DieselzyklenIn diesem Artikel wird ein idealer Dieselzyklus gezeigt, bei dem viele Annahmen vom tatsächlichen Dieselzyklus abweichen . Die Hauptunterschiede zwischen dem tatsächlichen und dem idealen Dieselmotor sind in der Abbildung dargestellt. In der Realität tritt der ideale Zyklus nicht auf und mit jedem Prozess sind viele Verluste verbunden. Für einen tatsächlichen Zyklus ähnelt die Form des pV-Diagramms dem Ideal, aber die vom pV-Diagramm eingeschlossene Fläche (Arbeit) ist immer kleiner als der ideale Wert. Der ideale Dieselzyklus basiert auf folgenden Annahmen:
Diese vereinfachenden Annahmen und Verluste führen dazu, dass der geschlossene Bereich (Arbeit) des pV-Diagramms für einen tatsächlichen Motor erheblich kleiner ist als die Größe des Bereichs (Arbeit), der vom pV-Diagramm des idealen Zyklus eingeschlossen ist. Mit anderen Worten, der ideale Motorzyklus überschätzt das Netz und bei gleicher Drehzahl die vom tatsächlichen Motor erzeugte Leistung um etwa 20% (ähnlich wie beim Otto-Motor). Kompressionsverhältnis – Otto MotorDas Verdichtungsverhältnis , CR , ist als das Verhältnis des Volumens im unteren Totpunkt und das Volumen am oberen Totpunkt definiert ist . Es ist ein Schlüsselmerkmal für viele Verbrennungsmotoren. Im folgenden Abschnitt wird gezeigt, dass das Verdichtungsverhältnis den thermischen Wirkungsgrad des verwendeten thermodynamischen Zyklus des Verbrennungsmotors bestimmt. Im Allgemeinen ist ein hohes Verdichtungsverhältnis erwünscht, da dadurch ein Motor einen höheren thermischen Wirkungsgrad erreichen kann. Nehmen wir zum Beispiel einen Otto-Zyklus mit einem Kompressionsverhältnis von CR = 10: 1 an. Das Volumen der Kammer beträgt vor dem Kompressionshub 500 cm³ = 500 × 10 -6 m 3 (0,5 l). Für diesen Motor eines erforderlichen ll Band sind bekannt:
Beachten Sie, dass (V max – V min ) x Anzahl der Zylinder = Gesamtmotorhubraum. Beispiele für Kompressionsverhältnisse – Benzin vs. Diesel
Wärmewirkungsgrad für DieselkreislaufIm allgemeinen wird die thermischen Wirkungsgrad , η th , ein Wärmekraftmaschine ist als das Verhältnis der definierten Arbeits es tut, W , an den Wärmeeingang bei der hohen Temperatur, Q H . Der thermische Wirkungsgrad , η th , stellt den Anteil an Wärme , Q H , die konvertiert wird , zu arbeiten . Da Energie nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik eingespart wird und Energie nicht vollständig in Arbeit umgewandelt werden kann , muss der Wärmeeintrag Q H gleich der geleisteten Arbeit W plus der Wärme sein, die als Abwärme Q C an die abgegeben werden muss Umgebung. Daher können wir die Formel für den thermischen Wirkungsgrad wie folgt umschreiben: Die absorbierte Wärme tritt während der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches auf, wenn der Funke ungefähr bei konstantem Volumen auftritt. Da während eines isochoren Prozesses keine Arbeit von oder am System ausgeführt wird, schreibt der erste Hauptsatz der Thermodynamik ∆U = ∆Q vor. Daher ist die hinzugefügte und abgegebene Wärme gegeben durch: Q add = mc p (T 3 – T 2 ) Q out = mc v (T 4 – T 1 ) Das Ersetzen der Ausdrücke für die Wärme, die hinzugefügt und im Ausdruck für die thermische Effizienz verworfen wird, ergibt: Diese Gleichung kann mit dem Kompressionsverhältnis und dem Grenzverhältnis in die Form umgeordnet werden: wo
Dies ist eine sehr nützliche Schlussfolgerung, da es wünschenswert ist, ein hohes Verdichtungsverhältnis zu erreichen, um mehr mechanische Energie aus einer gegebenen Masse des Kraftstoffs zu extrahieren. Wie wir im vorherigen Abschnitt festgestellt haben, ist der thermische Wirkungsgrad des Otto-Zyklus nach Luftstandard auch eine Funktion des Kompressionsverhältnisses und von κ. Wenn wir diese mit Formeln vergleichen, kann man sehen, dass für ein gegebenes Kompressionsverhältnis (CR) der Otto-Zyklus effizienter ist als der Diesel-Zyklus. Dieselmotoren sind jedoch normalerweise effizienter, da sie mit höheren Verdichtungsverhältnissen arbeiten können. Bei gewöhnlichen Otto-Motoren hat das Verdichtungsverhältnis seine Grenzen. Das Verdichtungsverhältnis in einem benzinbetriebenen Motor ist normalerweise nicht viel höher als 10: 1. Höhere Verdichtungsverhältnisse führen dazu, dass Benzinmotoren durch Selbstentzündung einem unverbrannten Gemisch ausgesetzt werden, wenn Kraftstoff mit niedrigerer Oktanzahl verwendet wird. Bei Dieselmotoren besteht nur ein minimales Risiko einer Selbstentzündung des Kraftstoffs, da Dieselmotoren Selbstzündungsmotoren sind und sich zu Beginn des Kompressionshubs kein Kraftstoff im Zylinder befindet. Mittlerer effektiver Druck – MdEPMEP ist ein sehr nützliches Maß für die Fähigkeit eines Motors, Arbeiten auszuführen, die unabhängig vom Hubraum des Motors sind.Ein Parameter, der von Ingenieuren zur Beschreibung der Leistung von Hubkolbenmotoren verwendet wird, wird als mittlerer effektiver Druck ( MEP) bezeichnet . MEP ist ein sehr nützliches Maß für die Fähigkeit eines Motors, Arbeiten auszuführen, die unabhängig vom Hubraum des Motors sind. Es gibt verschiedene Arten von Abgeordneten. Diese Abgeordneten werden durch die Standortmessung und die Berechnungsmethode (z. B. BMEP oder IMEP) definiert. Im Allgemeinen ist der mittlere effektive Druck der theoretische konstante Druck, der, wenn er während des Arbeitshubs auf den Kolben einwirkt, das gleiche Netz erzeugt, das tatsächlich in einem vollständigen Zyklus entwickelt wurde. Der MdEP kann definiert werden als: Zum Beispiel ist der als IMEP n bezeichnete mittlere effektive Nettodruck gleich dem mittleren effektiven Druck, der aus dem Zylinderdruck (es muss diese Messung vorhanden sein) über den gesamten Motorzyklus berechnet wird. Beachten Sie, dass es bei einem Viertaktmotor 720 ° und bei einem Zweitaktmotor 360 ° beträgt. Einige Beispiele:
Beispielsweise hat ein Viertakt-Benzinmotor, der 200 Nm aus 2 Litern Hubraum erzeugt, einen MEP von (4π) (200 Nm) / (0,002 m³) = 1256000 Pa = 12 bar. Wie zu sehen ist, ist der Abgeordnete nützliche Eigenschaften eines Motors . Bei zwei Motoren mit gleichem Hubraum würde der Motor mit einem höheren MEP das größere Netz und, wenn die Motoren mit der gleichen Drehzahl laufen, eine größere Leistung erzeugen . Dieselzyklus – Problem mit der LösungpV-Diagramm eines idealen DieselzyklusNehmen wir den Dieselzyklus an, der einer der häufigsten thermodynamischen Zyklen ist, die in Automotoren zu finden sind . Einer der Schlüsselparameter solcher Motoren ist die Volumenänderung zwischen dem oberen Totpunkt (OT) und dem unteren Totpunkt (BDC). Das Verhältnis dieser Volumina ( V 1 / V 2 ) ist als Kompressionsverhältnis bekannt . Auch das Abschaltverhältnis V 3 / V 2 , das das Volumenverhältnis am Ende und zu Beginn der Verbrennungsphase ist. In diesem Beispiel sei der Dieselzyklus mit einem Verdichtungsverhältnis von CR = 20: 1 und einem Abschaltverhältnis von α = 2 angenommen. Die Luft hat 100 kPa = 1 bar, 20 ° C (293 K) und das Volumen der Kammer beträgt 500 cm³ vor dem Kompressionshub.
Berechnung:
Lösung: 1) Zu Beginn der Berechnungen müssen wir die Gasmenge in der Flasche vor dem Kompressionshub bestimmen. Mit dem idealen Gasgesetz können wir die Masse finden: pV = mR- spezifisches T. wo:
Deshalb m = p 1 V 1 / R spezifisch T 1 = (100000 × 500 × 10 –6 ) / (287,1 × 293) = 5,95 × 10 –4 kg 2) In diesem Problem sind alle Volumes bekannt:
Beachten Sie, dass (V max – V min ) x Anzahl der Zylinder = Gesamtmotorhubraum Da der Prozess adiabatisch ist, können wir die folgende p, V, T-Beziehung für adiabatische Prozesse verwenden: somit T 2 = T 1 . CR & kgr; – 1 = 293. 20 0,4 = 971 K. 3) Wieder können wir das ideale Gasgesetz verwenden, um den Druck am Ende des Kompressionshubs zu ermitteln als: p 2 = mR- spezifisches T 2 / V 2 = 5,95 × 10 –4 × 287,1 × 971/25 × 10 –6 = 6635000 Pa = 66,35 bar 4) Da Prozess 2 → 3 bei konstantem Druck abläuft, ergibt sich die ideale Gaszustandsgleichung T 3 = (V 3 / V 2 ) × T 2 = 1942 K. Um die Wärmemenge zu berechnen, die durch Verbrennen des Kraftstoff-Luft-Gemisches Q add hinzugefügt wird , müssen wir den ersten Hauptsatz der Thermodynamik für isobare Prozesse verwenden, der besagt: Q add = mc p (T 3 – T 2 ) = 5,95 × 10 –4 × 10 10 × 971 = 583,5 J. 5) Wärmewirkungsgrad für diesen Dieselkreislauf: Wie im vorherigen Abschnitt abgeleitet, ist der thermische Wirkungsgrad des Dieselzyklus eine Funktion des Verdichtungsverhältnisses, des Abschaltverhältnisses und von κ: wo
Für dieses Beispiel: η Diesel = 0,6467 = 64,7% 6) Der Europaabgeordnete wurde definiert als: In dieser Gleichung ist das Verschiebungsvolumen gleich V max – V min . Das Netzwerk für einen Zyklus kann anhand der zugeführten Wärme und des thermischen Wirkungsgrads berechnet werden: W net = Q add . η Otto = 583,5 × 0,6467 = 377,3 J. MEP = 377,3 / ( 500 × 10 –6 – 25 × 10 –6 ) = 794,3 kPa = 7,943 bar ………………………………………………………………………………………………………………………………. Dieser Artikel basiert auf der maschinellen Übersetzung des englischen Originalartikels. Weitere Informationen finden Sie im Artikel auf Englisch. Sie können uns helfen. Wenn Sie die Übersetzung korrigieren möchten, senden Sie diese bitte an: [email protected] oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke. Was ist effizienter Diesel oder Benzin?Nicht nur hinsichtlich der Kosten für die Versicherung gibt es einen Unterschied zwischen Benzin und Diesel: Diesel ist günstiger und gleichzeitig verbrauchen die Motoren weniger Kraftstoff.
Warum ein Benzinmotor effizienter ist als ein Dieselmotor?Anders gesagt: Mit der gleichen Luftmenge kann der Otto-Motor mehr Kraftstoff umsetzen. Er liefert eine entsprechend größere Leistung. Galt der Dieselmotor früher als lahm, macht er dieses Leistungsdefizit heute mehr als wett: durch die Zufuhr von genügend Luft, die zuvor in einem Turbolader verdichtet worden ist.
Was zieht besser Benzin oder Diesel?Fazit: Eigentlich alles gut
Weil auch der Benziner sparsam und kraftvoll ist, zudem kultivierter, liegt der größte Vorteil des Diesel in seiner souveräneren Kraftentfaltung. Aber die ist so viel vehementer, dass sie einem den Aufpreis gut wert sein kann.
Warum verdichtet der Dieselmotor höher als der Ottomotor?Das Verdichtungsverhältnis ist beim Dieselmotor deutlich höher als beim Ottomotor (z. B. 20 statt 10), da dies zur Selbstzündung notwendig und auch für den Wirkungsgrad vorteilhaft ist: Dass dadurch ebenfalls höhere Expansionsverhältnis erlaubt es, dem heißen Gas mehr Energie zu entziehen.
|