Diesel-ciklus

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából

A Diesel-ciklus egy termodinamikai körfolyamat, amely modellezi az 1897-ben Rudolf Diesel által feltalált Diesel-motor működése közben fellépő állapotváltozásokat. Az idealizált Diesel-ciklus jellemző vonása, hogy a tüzelőanyag-levegő keverék elégése állandó nyomáson következik be, ellentétben az idealizált Otto-ciklussal, a négyütemű benzinmotor termodinamikai modelljével, melynél az égés állandó térfogaton zajlik le.

Az idealizált Diesel-ciklus[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az ideális Diesel-ciklus p-v diagramja.
Az ideális Diesel-ciklus T-s diagramja

Az ábrán látható az idealizált Diesel-ciklus a p-v diagramban, p a keverék nyomása, v a fajlagos térfogata. A körfolyamat négy állapotváltozásból áll:

  • 1 - 2 izentrópikus kompresszió.
  • 2 - 3 állandó nyomású (izobár) állapotváltozás (égés)
  • 3 - 4 izentropikus expanzió
  • 4 - 1 állandó térfogatú (izochor) hőelvonás

A dízelmotor hőerőgép: hőenergiát alakít át mechanikai munkává. Az energiaáramlás a körfolyamat alatt:

  • 1 - 2 a munkafelvétel munkaközeg sűrítéséhez (a lendkerékből)
  • 2 - 3 hőenergia felvétel a tüzelőanyag elégetéséből
  • 3 - 4 az égés után felmelegedett közeg expanziója mechanikai munkát ad a gépnek
  • 4 - 1 a füstgázok kiáramlása: hőelvonás

A valóságos Diesel-ciklus[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A belső égésű motorok, és így a Diesel-motor körfolyamata az elméletitől kissé eltérő módon fut le. A fenti sorszámozáshoz illeszkedve a következő eltérések mondhatók el (mintaképpen a négyütemű körfolyamatot véve alapul, álló hengerelrendezés példájával).

  • Szívási folyamat. A dugattyú alsó holtpontja felé halad, ezáltal a belső tér mérete növekszik. A nyomás alacsonyabb a környezeti nyomásnál, ez hajtja be tehát az égéshez szükséges levegőt. A folyamat végén zárul a szívószelep.
  • 1 - 2 Kompresszió. A henger és a dugattyú hőmérséklete igen magas, ezért az állapotváltozás eltér az elméletitől: fűtött kompresszió játszódik le. Ez kissé eltér az adiabatikus folyamattól, a politropikus kitevő nagyobb: n > κ. A hőmérséklet meredeken emelkedik, magasabbra, mint az üzemanyag gyulladásához szükséges hőmérséklet.
  • Befecskendezés. Az üzemanyag apró cseppekké porlad, emiatt igen nagy a fajlagos felülete, gyorsabban kezdődik az égés. Minthogy a hőmérséklet magasabb az öngyulladási hőmérsékletnél, az égés kezdete a befecskendezés időpontjától függ. A dugattyú felső holtpontjának elérése előtt megkezdődik az égés, de az ezalatt elégő üzemanyag csak kis része az egésznek.
  • 2 - 3 Égés. Az égés valóságos lefolyását indikátordiagamon[1][2] lehet követni. Ez a valóságban kupola alakú görbe, de izobár folyamattal lehet a legjobban közelíteni.[3]
  • 3 - 4 Expanzió. Az adiabatikustól azért tér el, mert az égéstermékek hőmérséklete igen nagy, ezért némi hőveszteséggel kell számolnunk, n < κ. A hőközlés részben a belső energiát növeli (és így a hőmérsékletet), valamint térfogatváltozási munkát végez. Ez tartja fenn a körfolyamatot.
  • A kipufogószelep nyitása. A távozó gázok hőmérséklete és így entalpiája magasabb, mint a beszívott hideg levegőé. Ezt a lehető legjobban izochor állapotváltozással tudjuk leírni (a dugattyú elmozdulása viszonylag kicsi, mert az alsó holtponton éppen irányt vált). Ezt az egyetlen lépést nem szabad a klasszikus állapotváltozásokhoz hasonlóan leírni, mert a közeg anyagi minősége megváltozik (egyik kicserélődik a másikkal, az égéstermékek helyet cserélnek a friss levegővel).
  • 4 - 1 Kipufogás. A dugattyú megindul felső holtpontja felé, a henger belső terét ezzel csökkentve. A térfogatváltozási munkát a lendkerék energiája fedezi.

Az elméletileg elérhető termikus hatásfok[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A maximális termikus hatásfok a kompresszióviszonytól és a \rho viszonyszámtól függ:

\eta_{t}=1-\frac{1}{\epsilon^{\kappa-1}}\left ( \frac{\rho^{\kappa}-1}{\kappa(\rho-1)} \right )

ahol
\eta_{t} \, a termikus hatásfok,
\rho = \frac{V_3}{V_2} az égés végpontjánál és kezdőpontjánál mért fajtérfogatok hányadosa.
\epsilon = \frac{V_1}{V_2} a kompresszióviszony
\kappa = \frac {c_p}{c_v} a gáz fajhőinek viszonya

A hatásfok a kompresszióviszony növelésével nő, a \rho \, növelésével csökken. Ha \rho \rightarrow \, , a hatásfok tart az Otto-cikluséhoz. Összehasonlítva az Otto-körfolyamattal, annak termikus hatásfoka azonos kompresszióviszony esetén meghaladja a Diesel ciklusét. Mindenki ismeri azonban azt a tényt, hogy a dízel motorral hajtott gépkocsik üzemanyag-fogyasztása kisebb (és így az összhatásfoka jobb), mint az Otto-motorokkal hajtott gépkocsiké. Ez azért igaz, mert az Otto-motorok kompresszióviszonya lényegesen alacsonyabb, mint a dízelmotoroké. A benzin-levegő keverék ugyanis alacsonyabb hőmérsékleten (így alacsonyabb kompresszióviszony mellett) öngyulladást szenvedne. A másik ok, hogy a benzinmotort a légbeömlés fojtásával vezérlik, a fojtás pedig energiaveszteséget okoz. A valóságos összhatásfok természetesen a termikus, mechanikai és egyéb veszteségek miatt mindkét erőgépnél az elméletinél lényegesen kisebb.

Irodalom[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • Pattantyús Gépész- és Villamosmérnökök Kézikönyve 2. kötet. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1961.
  1. A nyomásindikátort [1] eredetileg gőzgépekhez fejlesztették ki
  2. Walter, John: The engine indicator. archivingindustry.com, 2005. (Hozzáférés: 2011. április 28.)Tabor-féle indikátor
  3. Járműmotorok. eki.sze.hu, 2000. (Hozzáférés: 2011. április 26.)