Дизелов циклус

"p-V" дијаграм за идеалан Дизелов циклус. Циклус прати бројеве 1-4 у смеру казаљке на сату.

Дизелов циклус је процес сагоревања у клипном мотору са унутрашњим сагоревањем. Рудолф Дизел је патентирао 1892, а 1893 саградио нови тип мотора са унутрашњим сагоревањем. Недостатак Отовог циклуса је низак степен компресије због опасности од самопаљења смеше, у Дизеловом циклусу овај проблем је превазиђен тако што се прво сабија чист ваздух, па се тек онда убризгава гориво у цилиндар. Услед високе температуре сабијеног ваздуха долази до самопаљења горива. Дизел мотори се користе у авионима, аутомобилима, производњи електричне енергије, дизел-електричним локомотивама, бродовима и подморницама .

Усвојена претпоставка је да Дизелов циклус има константан притисак током почетног дела фазе сагоревања (од $V_2$ до $V_3$ на испод). Ово је идеализовани математички модел: прави дизел мотори имају повећање притиска током овог процеса, међутим мање изражено него у Отовом циклусу. Насупрот томе, идеални Отов циклус бензинског мотора приближава се процесу константне запремине током те фазе.

Идеални Дизелов циклус

Шаблон:Термодинамички циклуси Дијаграм горе приказује "p-V" дијаграм за идеални Дизелов циклус; где $p$ представља притисак а $V$ запремину или $v$ специфичну запремину. Идеални Дизелов циклус претпоставља идеалан гас и игнорише хемију сагоревања, процедуре издувавања и допуњавања и једноставно прати четири различита процеса:

• 1→2 : изентропска компресија (плаво)
• 2→3 : увођење топлоте под константним притиском (црвено)
• 3→4 : изентропска експанзија (жуто)
• 4→1 : одвођење топлоте под константном запремином (зелено)

Дизел мотор је топлотни мотор: претвара топлоту у рад . Током доњег изентропског процеса (плаво), енергија се уводи у систем у виду рада $W_{in}$, али према дефиницији изентропског процеса никаква енергија се не преноси у систем или из њега у облику топлоте. Током процеса са константним притиском (црвено, изобарски процес), енергија улази у систем као топлота $Q_{in}$. Током горњег изентропског процеса (жуто), енергија се преноси из система у виду рада $W_{out}$, и поново према дефиницији изентропског процеса никаква енергија се не преноси у систем или из њега у облику топлоте. Током процеса са константном запремином (зелено, изохорски процес), део енергије одлази из система смањивањем притиска у виду топлоте $Q_{out}$. Рад који напушта систем једнак је раду који улази у систем плус разлика између топлоте која је додата систему и топлоте која напушта систем; другим речима, нето добитак рада једнак је разлици између топлоте која се додаје систему и топлоте која напушта систем.

• Улазни рад $W_{in}$ се врши тако што клип компресује ваздух из околине
• Топлота $Q_{in}$ настаје сагоревањем горива
• Излазни рад $W_{out}$ се врши тако што се радни флуид експандира и гура клип
• Топлота $Q_{out}$ се врши испуштањем ваздуха из система
• Нето произведени рад је једнак: $Q_{in}$ - $Q_{out}$

Нето произведени рад је такође могуће представити површином обухваћеном циклусом на "p-V" дијаграму. Произвди се по циклусу и назива се и корисним радом, јер се може претворити у друге корисне врсте енергије и покретати возило (кинетичка енергија ) или производити електричну енергију. $W_{out}$ се такође назива бруто рад,чији део се користи у следећем циклусу мотора за компресовање ваздуха.

Максимална ефикасност

Максимална ефикасност Дизеловог циклуса зависи од степена компресије и степена предекспанзије. Има следећу формулу користећи стандардну анализу хладног ваздуха :

${\eta }_{th}=1-\frac{1}{r^{\gamma -1}}\left(\frac{{\alpha }^{\gamma }-1}{\gamma (\alpha -1)}\right)$

где

${\eta }_{th}$ је ефикасност

$\alpha$ је степен предекспанзије $\frac{V_3}{V_2}$ (однос између завршне и почетне запремине у фази сагоревања)

Шаблон:Math је степен компресије $\frac{V_1}{V_2}$

$\gamma$ је однос специфичних топлотних капацитета $\frac{c_p}{c_v}$

Степен предекспанзије се може изразити у виду температура као што је приказано у наставку:

$\frac{T_2}{T_1}={\left(\frac{V_1}{V_2}\right)}^{\gamma -1}=r^{\gamma -1}$

$T_2=T_1{r}^{\gamma -1}$

$\frac{V_3}{V_2}=\frac{T_3}{T_2}$

$\alpha =\left(\frac{T_3}{T_1}\right)\left(\frac{1}{r^{\gamma -1}}\right)$

$T_3$ се може апроксимирати температуром пламена коришћеног горива. Температура пламена се може апроксимирати адијабатском температуром пламена горива са одговарајућим односом ваздуха и горива и притиском компресије $p_3$ .$T_1$ се може апроксимирати температури улазног ваздуха.

Ова формула даје само идеалну ефикасност. Стварна ефикасност ће бити знатно нижа због губитака топлоте и трења. Формула је сложенија у поређењу са формулом за Отов циклус:

${\eta }_{otto,th}=1-\frac{1}{r^{\gamma -1}}$

Додатна сложеност у формули за ефикасност Дизеловог циклуса долази због увођења топлоте под константним притиском, а одбацивање топлоте при константној запремини. За поређење, Отов циклус има и увођење и одбацивање топлоте при константној запремини.

Упоређивање ефикасности са Отовим циклусом

Упоређујући ове две формуле може се видети да ће за дати однос компресије ( Шаблон:Math ) идеални Отов циклус бити ефикаснији. Међутим, прави дизел мотор ће у целини бити ефикаснији јер ће имати могућност да ради при већим степенима компресије. Ако би бензински мотор имао исти степен компресије, дошло би до самозапаљења смеше и то би значајно умањило ефикасност, док је код дизел мотора самопаљење жељено понашање. Поред тога, оба ова циклуса су само идеализације, а стварно понашање се не разликује толико. Штавише, горе наведена формула идеалног Отовог циклуса не укључује губитке при пригушивању, који се не односе на дизел моторе.

Употребе

Дизел мотори

Дизел мотори имају најнижу специфичну потрошњу горива у поређењу са било којим великим мотором са унутрашњим сагоревањем који користи један циклус (0,16 kg/kWh за веома велике бродске моторе). Двотактни дизел мотори са принудном индукцијом под високим притиском, посебно турбо пуњењем, чине велики проценат највећих дизел мотора.

У Северној Америци, дизел мотори се првенствено користе у великим камионима, где циклус са ниским стресом и високом ефикасношћу доводи до много дужег века мотора и нижих оперативних трошкова. Ове предности такође чине дизел мотор идеалним за употребу у железницама.

Види још

• Дизел мотор
• Брајтонов циклус
• Ранкинов циклус
• Термодинамика