Dizelov ciklus

"p-V" dijagram za idealan Dizelov ciklus. Ciklus prati brojeve 1-4 u smeru kazaljke na satu.

Dizelov ciklus je proces sagorevanja u klipnom motoru sa unutrašnjim sagorevanjem. Rudolf Dizel je patentirao 1892, a 1893 sagradio novi tip motora sa unutrašnjim sagorevanjem. Nedostatak Otovog ciklusa je nizak stepen kompresije zbog opasnosti od samopaljenja smeše, u Dizelovom ciklusu ovaj problem je prevaziđen tako što se prvo sabija čist vazduh, pa se tek onda ubrizgava gorivo u cilindar. Usled visoke temperature sabijenog vazduha dolazi do samopaljenja goriva. Dizel motori se koriste u avionima, automobilima, proizvodnji električne energije, dizel-električnim lokomotivama, brodovima i podmornicama .

Usvojena pretpostavka je da Dizelov ciklus ima konstantan pritisak tokom početnog dela faze sagorevanja (od $V_{2}$ do $V_{3}$ na ispod). Ovo je idealizovani matematički model: pravi dizel motori imaju povećanje pritiska tokom ovog procesa, međutim manje izraženo nego u Otovom ciklusu. Nasuprot tome, idealni Otov ciklus benzinskog motora približava se procesu konstantne zapremine tokom te faze.

Idealni Dizelov ciklus

Termodinamički ciklusi
Članak pripada oblasti «Termodinamika».
Atkinsonov ciklus
Brajtonov ciklus
Girnaov ciklus
Dizelov ciklus
Kalinov ciklus
Karnoov ciklus
Lenuarov ciklus
Millerov ciklus
Otto ciklus
Rankinov ciklus
Stirlingenov ciklus
Trinklerenov ciklus
Hamfrijev ciklus
Eriksonov ciklus
Sadržaj termodinamike
Zakoni termodinamike
Jednačina stanja
Termodinamičke veličine
Termodinamički potencijali
Termodinamički ciklusi
Fazne promene

Dijagram gore prikazuje "p-V" dijagram za idealni Dizelov ciklus; gde $p$ predstavlja pritisak a $V$ zapreminu ili $v$ specifičnu zapreminu. Idealni Dizelov ciklus pretpostavlja idealan gas i ignoriše hemiju sagorevanja, procedure izduvavanja i dopunjavanja i jednostavno prati četiri različita procesa:

• 1→2 : izentropska kompresija (plavo)
• 2→3 : uvođenje toplote pod konstantnim pritiskom (crveno)
• 3→4 : izentropska ekspanzija (žuto)
• 4→1 : odvođenje toplote pod konstantnom zapreminom (zeleno)

Dizel motor je toplotni motor: pretvara toplotu u rad . Tokom donjeg izentropskog procesa (plavo), energija se uvodi u sistem u vidu rada $W_{in}$, ali prema definiciji izentropskog procesa nikakva energija se ne prenosi u sistem ili iz njega u obliku toplote. Tokom procesa sa konstantnim pritiskom (crveno, izobarski proces), energija ulazi u sistem kao toplota $Q_{in}$. Tokom gornjeg izentropskog procesa (žuto), energija se prenosi iz sistema u vidu rada $W_{out}$, i ponovo prema definiciji izentropskog procesa nikakva energija se ne prenosi u sistem ili iz njega u obliku toplote. Tokom procesa sa konstantnom zapreminom (zeleno, izohorski proces), deo energije odlazi iz sistema smanjivanjem pritiska u vidu toplote $Q_{out}$. Rad koji napušta sistem jednak je radu koji ulazi u sistem plus razlika između toplote koja je dodata sistemu i toplote koja napušta sistem; drugim rečima, neto dobitak rada jednak je razlici između toplote koja se dodaje sistemu i toplote koja napušta sistem.

• Ulazni rad $W_{in}$ se vrši tako što klip kompresuje vazduh iz okoline
• Toplota $Q_{in}$ nastaje sagorevanjem goriva
• Izlazni rad $W_{out}$ se vrši tako što se radni fluid ekspandira i gura klip
• Toplota $Q_{out}$ se vrši ispuštanjem vazduha iz sistema
• Neto proizvedeni rad je jednak: $Q_{in}$ - $Q_{out}$

Neto proizvedeni rad je takođe moguće predstaviti površinom obuhvaćenom ciklusom na "p-V" dijagramu. Proizvdi se po ciklusu i naziva se i korisnim radom, jer se može pretvoriti u druge korisne vrste energije i pokretati vozilo (kinetička energija ) ili proizvoditi električnu energiju. $W_{out}$ se takođe naziva bruto rad,čiji deo se koristi u sledećem ciklusu motora za kompresovanje vazduha.

Maksimalna efikasnost

Maksimalna efikasnost Dizelovog ciklusa zavisi od stepena kompresije i stepena predekspanzije. Ima sledeću formulu koristeći standardnu analizu hladnog vazduha :

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

gde

$\eta _{th}$ je efikasnost

$\alpha$ je stepen predekspanzije ${\frac {V_{3}}{V_{2}}}$ (odnos između završne i početne zapremine u fazi sagorevanja)

r je stepen kompresije ${\frac {V_{1}}{V_{2}}}$

$\gamma$ je odnos specifičnih toplotnih kapaciteta ${\frac {c_{p}}{c_{v}}}$

Stepen predekspanzije se može izraziti u vidu temperatura kao što je prikazano u nastavku:

${\frac {T_{2}}{T_{1}}}={\left({\frac {V_{1}}{V_{2}}}\right)^{\gamma -1}}=r^{\gamma -1}$

$\displaystyle {T_{2}}={T_{1}}r^{\gamma -1}$

${\frac {V_{3}}{V_{2}}}={\frac {T_{3}}{T_{2}}}$

$\alpha =\left({\frac {T_{3}}{T_{1}}}\right)\left({\frac {1}{r^{\gamma -1}}}\right)$

$T_{3}$ se može aproksimirati temperaturom plamena korišćenog goriva. Temperatura plamena se može aproksimirati adijabatskom temperaturom plamena goriva sa odgovarajućim odnosom vazduha i goriva i pritiskom kompresije $p_{3}$ .$T_{1}$ se može aproksimirati temperaturi ulaznog vazduha.

Ova formula daje samo idealnu efikasnost. Stvarna efikasnost će biti znatno niža zbog gubitaka toplote i trenja. Formula je složenija u poređenju sa formulom za Otov ciklus:

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

Dodatna složenost u formuli za efikasnost Dizelovog ciklusa dolazi zbog uvođenja toplote pod konstantnim pritiskom, a odbacivanje toplote pri konstantnoj zapremini. Za poređenje, Otov ciklus ima i uvođenje i odbacivanje toplote pri konstantnoj zapremini.

Upoređivanje efikasnosti sa Otovim ciklusom

Upoređujući ove dve formule može se videti da će za dati odnos kompresije ( r ) idealni Otov ciklus biti efikasniji. Međutim, pravi dizel motor će u celini biti efikasniji jer će imati mogućnost da radi pri većim stepenima kompresije. Ako bi benzinski motor imao isti stepen kompresije, došlo bi do samozapaljenja smeše i to bi značajno umanjilo efikasnost, dok je kod dizel motora samopaljenje željeno ponašanje. Pored toga, oba ova ciklusa su samo idealizacije, a stvarno ponašanje se ne razlikuje toliko. Štaviše, gore navedena formula idealnog Otovog ciklusa ne uključuje gubitke pri prigušivanju, koji se ne odnose na dizel motore.

Upotrebe

Dizel motori

Dizel motori imaju najnižu specifičnu potrošnju goriva u poređenju sa bilo kojim velikim motorom sa unutrašnjim sagorevanjem koji koristi jedan ciklus (0,16 kg/kWh za veoma velike brodske motore). Dvotaktni dizel motori sa prinudnom indukcijom pod visokim pritiskom, posebno turbo punjenjem, čine veliki procenat najvećih dizel motora.

U Severnoj Americi, dizel motori se prvenstveno koriste u velikim kamionima, gde ciklus sa niskim stresom i visokom efikasnošću dovodi do mnogo dužeg veka motora i nižih operativnih troškova. Ove prednosti takođe čine dizel motor idealnim za upotrebu u železnicama.

Vidi još

• Dizel motor
• Brajtonov ciklus
• Rankinov ciklus
• Termodinamika