Otto, Diesel & dual cycle

Transcriptie

1 hermodynamica Otto, Diesel & dual cycle Bendiks Jan Boersma Wiebren de Jong hijs lugt heo Woudstra March 8, 0 lecture

2 Standaard-lucht aannames / Koude-lucht standaard Standaard lucht aannames Werkmedium is lucht met ideaal gas gedrag Kringroces is gesloten Deel rocessen zijn inwendig reersibel erbrandingsrocessen worden erangen door warmte toeoer anuit een externe bron Warmte erbranding roducten Lucht erbranding Lucht Warmtetoeoer Lucht Brandstof kamer sectie Uitdrijfroces wordt erangen door warmteafoer roces waardoor werkmedium in oorsronkelijke toestand terugkomt Koude-lucht standaard aannames Soortelijke warmte (c, c ) constant bij kamer temeratuur (5ºC) March 8, 0 c k c then also constant

3 Cycle rocesses Historisch =const =const =const d =0 Pain 690 S Stirling (Robert) James 85 S Carnot 8 (Diesel, 89/7) d S March 8, 0

4 Cycle rocesses Historisch =const =const =const d =0 Ericsson 8 Joule 85 Brayton 867 d S Ericsson 85 S Otto 867 (Barsanti - Matteucci 85) d S March 8, 0

5 Reca: reersible rocess stes in closed systems W m d isotherm (=const.) ideal gas R ln R ln ideal gas W isochor (=const.) m c d m u u 0 isobar (=const.) m c d m h h m adiabatic (d=0) 0 m u u olytroic ( n =const.) u u W m m n March 8, 0 5

6 Reca: reersible rocess stes in closed systems W isotherm (=const.) W isochor (=const.) S W 0 isobar (=const.) S W adiabatic (d=0) olytroic ( n =const.) for >n>k March 8, 0 for >n>k 6 S 0 S S W W

7 Ideal gas (cold air standard) P Const P mr / mr / P P Const * Const P Const ** P P March 8, 0 7

8 Otto motor re ; met r / k r Rendement hangt alleen af an de comressie erhouding Brandstof wordt samen met lucht gecomrimeerd Beerkende factor is de roegtijdige ontbranding knock

9 Diesel Rudolf Diesel March 8, 0 9

10 Werksoor diesel 95 Cilinderboring (diameter doorsnee) Slag (o- en neergaande beweging) 90mm 680mm Aantal cilinders 0 Omwentelingen er minuut (maximaal) ermogen in ek (bij ol ermogen) k /500 kw March 8, 0 0

11 Moderne diesel A=7.5m B+F=.m March 8, 0

12 Length: Height: Maximum ower: 89 feet (7 meter) feet ( meter) 08,90 h at 0 rm 80MW March 8, 0

13 Diesel rocess = = S De lucht wordt gecomrimeerd en de temeratuur neemt daardoor toe. Als de cylinder o het hoogste unt is wordt brandstof ingesoten die dan sontaan gaat ontbranden. Door de constructie heeft de motor geen knock internally reersible rocesses - adiabatic comression of the air as the iston moes from bottom dead center to to dead center W mu 0 u - first art of ower stroke: isobaric heating of air from external source to mimic ignition and oxidation of fuel-air mixture March 8, 0 mh W h - second art of ower stroke: adiabatic exansion W mu 0 m u u u - isochoric heat transfer to external reseroir to mimic the release of hot exhaust and utake of fresh (cool) fuel-air mixture W 0

14 Diesel rocess (s,,s,) W W m u u m h h = = 0 W m u u W 0 the ratio / is called cut-off ratio r c, with 0 r c : m u u S r c March 8, 0 the ratio / is the comression ratio r, with r : ideal gas with = mr

15 March 8, 0 5 Efficiency of the Diesel engine (s,,s,) thermal efficiency (reersible cycle) cold air standard S = = cyc re re W W W W u u h h k c c re k re k k r r c k c k r k k with with = k re c k c r r k r and =

16 Efficiency of the Diesel engine efficiency Rendement [-] re r c =.5 ractical range diesel motor Comressie erhouding, r [-] comression ratio r = / k re rc k r k rc March for 8, a 0 gien comression ratio r, the efficiency of Diesel is lower than Otto 6 (because the square bracket is >). But higher comression ratios are realized for Diesel engines.

17 Diesel waar blijft de rest?

18 Diesel motor (ogae 9.7) De slagolume an een inwendige erbrandingsmotor is 5.60 liter. De rocessen in de erschillende cilinders an de motor worden gemodelleerd als een standaardlucht Diesel kringroces met een cutoff ratio an.. De luchttoestand bij start an de comressie fase is =95 kpa, =00K, en =6.0 liter a) Bereken de netto arbeid er cyclus, in kj b) Het ermogen geleerd door de motor, in kw, als 500 cycli worden uitgeoerd er minuut c) Het thermisch rendement March 8, 0 8

19 Diesel motor (ogae 9.7) Standard air Cold air standard h h C d Cold air standard C const h h C d C ( ) Air standard C f( ) h h C d abel A Entroy o soortgelijke wijze March 8, 0 9

20 Diesel motor (ogae 9.7) berekenad berekenad netto arbeid er cyclus netto arbeid er cyclus cyc W W W W W m u u W W m u u cyc W cyc cyc W m h h m u u thermisch rendement mh cyc W h therm thermisch rendement therm cyc W March 8, 0 0

21 Diesel motor (ogae 9.7) # / K / bar / m u / kj/kg h / kj/kg olume 5.60 m m 0. m rood: in ogae gesecificeerd zwart: hier berekend grijs: later berekend 6.00 m r c m massa (unt ) m kj m mr m kj R 8. kmol K 00 K kg March 8, kmol m kg

22 Diesel motor (ogae 9.7) temeratuur unt r temeratuur unt abel mr r r A : 00K r 0. r mr 8. K geïnteroleerd 00K 6. (abel A-) h h 8.K 869.6kJ kg met = geïnteroleerd 860K 80K 80 K r 860K 80K r r K K March 8, 0 h h 0 K 8. kj kg geïnteroleerd r 80K

23 Diesel motor (ogae 9.7) temeratuur unt r r r r geïnteroleerd 6.K geïnteroleerd 6K 885. kj kg u u 6 netto arbeid er cyclus geïnteroleerd cyc cyc W mh W cyc mu h W cyc kg u March 8, 0 W cyc. 9kJ kj kg

24 Diesel motor (ogae 9.7) ermogen motor W W cyc cycli tijdseenheid W 500.9kJ kw 60 s thermisch rendement W cyc kg.9kj kj kg.9kj 9.5kJ 0.55 March 8, 0

25 Zelfde ogae met cold air standard

26 olume identiek aan air standard # / K / bar / m u / kj/kg h / kj/kg olume 5.60 m m r c 6.00 m 0. m m massa (unt ) m kj m mr m kj R 8. kmol K 00 K kg March 8, kmol m kg rood: in ogae gesecificeerd zwart: hier berekend grijs: later berekend

27 Diesel motor (ogae 9.7) unt unt 0. 00*5 886 K (8K). 7 K (0K) mc ( ) kJ unt K / 6 0 (6K) mc ( ) *0.78*(00 0).kJ W cyc March 8, kJ.8 / % re k rc 0.58 k r krc

28 Dual rocess 5 5 = = 5 the Otto cycle and the Diesel cycle are strongly idealized. he dual rocess cycle can better aroximate real combustion engines internally reersible rocesses - adiabatic comression of the air - st art of ower stroke: isochoric heating - nd art of ower stroke: isobaric exansion S 0 m u u m h h W m u u W 0 W -5 rd art of ower stroke: adiabatic exansion 5W m u5 u 5W 0 March 8, 0 5 m u u isochoric heat transfer to external reseroir 5 0

29 Duaal kringroces (ogae 9.6) Een standaard lucht duual kringroces heeft een comressieerhouding an 6 en een cutoff ratio an.5. Aan het begin an de comressieroces =95 kpa en =00 K. De druk wordt. keer zo groot gedurende het isochoor warmte toeoer roces. Als de massa an lucht 0.0 kg bedraagt, bereken: a) de toegeoerde warmte gedurende de twee warmte toeoer rocessen b) de netto arbeid an het kringroces, in kj c) de afgeoerde warmte, in kj d) het thermisch rendement March 8, 0 9

30 Duaal kringroces (ogae 9.6) berekenad nodig nodig a) toegeoerde warmte in b) netto arbeid er cyclus cyc W cyc cyc W 5 c) afgeoerde warmte 5 m u u m h h 5 m u u5, 5 d) thermisch rendement cyc March therm W 8, 0 0 in

31 Duaal kringroces (ogae 9.6) # / K / kpa / m u / kj/kg h / kj/kg olume J mr kg K J 950 m m r 6 r c kg K 0 m m 00 K 95kPa r 6 r c.5. m 0. 0 kg.5 March 8, m m temerature ressure comression ratio cut-off ratio ressure ratio mass R R M kj kmol K kg kmol kj kg K

32 Duaal kringroces (ogae 9.6) unt r ( ) ( ) r abel r A : 00K r r K geïnteroleerd 00K 6. (abel A-) 86.K 6. kj kg u u geïnteroleerd r r K r K 5 880K 860K 860 K 860K r March 8, 0

33 Duaal kringroces (ogae 9.6) unt sta : isochoor ( = ) met =. mr. met is mr mr K 897.K 897. K 580 kj kg u u. geïnteroleerd 897. K kj kg h h. geïnteroleerd March 8, 0

34 Duaal kringroces (ogae 9.6) unt sta : isobaar ( = ) met =.5 met mr is.5 mr mr K K 8. K 80 kj kg h h. geïnteroleerd March 8, 0

35 Duaal kringroces (ogae 9.6) unt 5 r 5 5 r r 5 8. K r 07 8K m m r K geïnteroleerd 955.K 7. kj kg u u 5 5 geïnteroleerd 5 5 March 8, 0 5

36 Duaal kringroces (ogae 9.6) toegeoerde warmte in u 0.0 kg kJ kg 7. kj h 0.0 kg80 kj kg. kj m u 5 m h 5 5 in 7.5kJ.kJ 5.7 kj netto arbeid er cyclus cyc W cyc cyc W 5 5m u u5 0.0kg kj kg 0.kJ cyc W kj. kj afgeoerde warmte cyc kj therm W. March 8, in thermisch rendement 5.7

37 Aanwijzigingen oor zelfstudie H9. en H9. nu behandeld. Dit oor de olgende keer goed doorlezen ook de examles in tekst Maak enkele an de ogaen 9. t/m 9. (Diesel kringroces) Maak enkele an de ogaen 9. t/m 9.7 (lucht duaal kringrocessen ) March 8, 0 7