디젤 사이클

디젤 주기는 왕복식 내연기관의 연소 과정이다. 그 안에서 연료는 연소실 내의 공기를 압축하는 동안 발생하는 열에 의해 점화되어 연료가 주입된다. 이는 오토 사이클(4행정/가솔린) 엔진에서와 같이 스파크 플러그로 연료 공기 혼합물을 점화시키는 것과는 대조적이다. 디젤 엔진은 항공기, 자동차, 발전, 디젤-전기 기관차, 그리고 수상함과 잠수함 모두에 사용된다.

디젤 주기는 연소 단계의 초기 부분(${\displaystyle {}_{}}$ 다이어그램에서$$ ${\displaystyle {V\mathrm{}}_{}}$ 2 ${\$}}$$~ V$$ ${\displaystyle {3\mathrm{}}_{}}$ ${\$ 동안 일정한 압력을 갖는 것으로 가정한다. 이것은 이상화된 수학적 모델이다: 실제 물리적인 다이젤은 이 기간 동안 압력이 증가하지만 오토 사이클에서보다 덜 뚜렷하다. 이와는 대조적으로 가솔린 엔진의 이상적인 오토 사이클은 그 단계 동안 일정한 체적 공정에 가깝다.

이상화 디젤 사이클

이미지는 이상적인 디젤 주기에 대한 p-V 다이어그램을 보여준다. 여기서 $p{\displaystyle }$ ${\displaystyle p}$은(는) 압력이고 V는 공정이 단위 질량 기준으로 배치된 경우 특정 볼륨 또는 v ${\displaystyle v}$이다. 이상화된 디젤 사이클은 이상적인 가스를 가정하고 연소 화학, 배기 및 충전 절차를 무시하며 단지 다음 네 가지 프로세스를 따른다.

• 1→2 : 유체의 등방성 압축(파란색)
• 2→3 : 가역성 상압 가열(빨간색)
• 3→4 : 등방성 팽창(노란색)
• 4→1 : 가역 상수 부피 냉각(녹색)^[1]

디젤 엔진은 열기관이다: 그것은 열을 작업으로 전환시킨다. 하부 등방성 프로세스(파란색) 동안 에너지는 작업 $W{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{in}}_{}}$ ${\$의 형태로 시스템으로 전달되지만, 정의(등방성)에 의해 열 형태로 시스템 내부 또는 외부로 전달되는 에너지는 없다. 일정한 압력(빨간색, 이소바르식) 과정 중에 에너지는 열 ${\displaystyle {Qi}_{}}$ ${\displaystyle n_{}}$ ${\$in$}}}$로 시스템에 들어간다$.$ 상단 등방성 과정(노란색) 동안 에너지는 $W{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle o_{}}$ ${\displaystyle u_{}}$ t ${\$의 형태로 시스템 밖으로 전달되지만$,$ 정의(등방성)에 의해 어떤 에너지도 전달되지 않는다. 열의 형태로 계통하다 일정한 체적(녹색, 이소콜리아) 프로세스 동안 일부 에너지가 우측 감압 프로세스 $Q{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle o_{}}$ ${\displaystyle u_{}}$ ${\displaystyle t_{}}$ ${\$를 통해 열로 시스템 밖으로 흐른다$.$ 시스템을 떠나는 일은 시스템으로 들어가는 일과 시스템에 가해지는 열과 시스템을 떠나는 열의 차이를 더한 것과 같다. 즉, 일의 순이익은 시스템에 가해지는 열과 시스템을 떠나는 열의 차이와 같다.

• (${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle n_{}}$ ${\$에서 피스톤이 공기(시스템)를 압축하여 작업한다.
• (${\displaystyle {Qi}_{}}$ ${\displaystyle n_{}}$ ${\$의 열은 연료 연소에 의해 이루어진다.
• 워크아웃(${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle o_{}}$ ${\displaystyle u_{}}$t {\$displaystyle W_{$out$\}\})$은 피스톤을 확장하고 밀어서 수행된다(이 경우 사용 가능한 작업이 생성됨).
• Heat out (${\displaystyle {Qo}_{}}$ ${\displaystyle u_{}}$ ${\displaystyle t_{}}$ ${\$은 공기를 배출하여 수행한다.
• 순작업 = ${\displaystyle {\mathrm{Qi}}_{}}$ n ${\$ $$- $Q{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle o_{}}$ ${\displaystyle u_{}}$ ${\displaystyle t_{}}$ ${\$

생산된 순작업은 P-V 도표상의 사이클로 둘러싸인 영역으로도 표현된다. 순작업은 사이클당 생산되며, 다른 유형의 에너지로 전환되어 차량(운동 에너지)을 추진하거나 전기 에너지를 생산할 수 있기 때문에 유용한 작업이라고도 불린다. 시간 단위당 그러한 사이클의 합계는 발전된 전력이라고 불린다. $W{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle o_{}}$ ${\displaystyle u_{}}$ t ${\$W_${out$}}는 총작업이라고도 하며$$, 그 중 일부는 다음 공기 충전을 압축하기 위해 엔진의 다음 사이클에 사용된다.

최대 열효율

디젤 주기의 최대 열 효율은 압축 비율과 차단 비율에 따라 달라진다. 냉기 표준 분석에는 다음과 같은 공식이 있다.

${\displaystyle \eta _{th}=1-{\frac {1}{r^{\buffer -1}\frac\좌측\frac {\buffer ^{\buffer 1}{\floards }{\floss (\fruffer -1)\right)}}}}$

어디에

${\displaystyle {\eta }_{}}$ ${\displaystyle t_{}}$ ${\displaystyle h_{}}$ ${\$ 열효율

${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle \alpha}$은(는) 컷오프 비율 V ${\displaystyle \frac{{3\mathrm{}}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{V\mathrm{}}_{}}{}}$ 2 ${\$연소 단계의 끝 부피와 시작 부피 사이의 비율)

r은 압축비 $V{\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{1\mathrm{}}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{{}_{}}}$ ${\displaystyle \frac{{2\mathrm{}}_{}}{}}$ ${\$

${\displaystyle \gamma }$ ${\displaystyle \gamma}$은(는) 특정 히트의 비율임(C_p/C_v)^[2]

컷오프 비율은 다음과 같이 온도로 표현할 수 있다.

${\displaystyle {\frac {T_{2}}{{{}}}{{}}{T_{1}}}={\frac{V_{1}:{V_{2}}}\오른쪽)^{\gamma -1}^{\gamma -1}=r^{\gamma -1}$

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

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

${\displaystyle \alpha =\좌({\frac {T_{3}{{1}}\우)\좌({\frac {1}{r^{\gamma -1}우)}$

${\displaystyle T_{}}$ ${\$은(는) 사용된 연료의 불꽃 온도에 근사치할 수 있다$$. 불꽃 온도는 해당 공기 대 연료 비와 압축 압력으로 연료의 단열 불꽃 온도에 근사치를 할 수 있으며, $p{\displaystyle {}_{}}$ ${\$ $T{\displaystyle {}_{}}$ ${\$는 흡입 공기 온도에 근사치를 나타낼 수 있다$$.

이 공식은 이상적인 열효율만을 제공한다. 열과 마찰 손실로 실제 열효율이 현저히 낮아질 것이다. 공식은 다음과 같은 공식을 갖는 오토 사이클(가솔린/가솔린 엔진) 관계보다 더 복잡하다.

${\displaystyle \eta _{data,th}=1-{\frac {1}{r^{\property -1}}}}$

열 추가가 일정한 압력에 있고 열 제거가 일정한 부피에 있기 때문에 디젤 공식의 추가적인 복잡성이 발생한다. 비교에 의한 오토 사이클은 일정한 부피에서 열 첨가와 거부반응이 모두 있다.

효율성을 Otto 사이클과 비교

두 공식을 비교하면 주어진 압축비(r)의 경우 이상적인 오토 사이클이 더 효율적이라는 것을 알 수 있다. 그러나 실제 디젤 엔진은 더 높은 압축률로 작동할 수 있기 때문에 전체적으로 더 효율적일 것이다. 가솔린 엔진의 압축비가 같을 경우 노킹(자체 점화)이 발생하여 효율이 크게 저하되는 반면 디젤 엔진의 경우 자체 점화 동작이 바람직한 동작이다. 덧붙여 이 두 사이클 모두 이상화일 뿐, 실제 행동은 명확하거나 날카롭게 나뉘지 않는다. 또한 위에 언급된 이상적인 오토 사이클 공식에는 디젤 엔진에는 적용되지 않는 조절 손실은 포함되지 않는다.

적용들

디젤엔진

디젤 엔진은 단일 사이클인 0.26lb/hp/hp/h (0.16 kg/kWh)를 사용하는 대형 내연기관 중 특정 연료 소비량이 가장 낮다. (복합 사이클 발전소는 더 효율적이지만, 하나의 엔진보다는 두 개의 엔진을 사용한다.) 고압 강제 유도를 포함한 2행정 다이젤, 특히 터보차징은 가장 큰 디젤 엔진의 큰 비중을 차지한다.

북미에서 디젤 엔진은 주로 대형 트럭에 사용되는데, 저압 고효율 사이클은 엔진 수명을 훨씬 더 길게 하고 운영비를 낮춘다. 이러한 이점은 또한 디젤 엔진을 중거리 철도 및 지반 이동 환경에서 사용하기에 이상적이다.

스파크 플러그가 없는 기타 내연기관

많은 모형 비행기들은 매우 단순한 "glow"와 "diesel" 엔진을 사용한다. 예열 엔진은 예열 플러그를 사용한다. "디젤" 모델 비행기 엔진은 압축비가 가변적이다. 두 종류 모두 특수 연료에 의존한다.

19세기 이전의 일부 실험 엔진은 밸브에 의해 노출된 외부 화염을 점화용으로 사용했지만, 압축력이 증가함에 따라 이는 덜 매력적으로 된다. (압축의 열역학적 가치를 확립한 것은 니콜라스 레오나르 사디 카르노의 연구였다.) 이것의 역사적 함축적 의미는 전기의 도움 없이 디젤 엔진이 발명될 수 있었다는 것이다.
역사적 중요성은 전구 엔진 및 간접 주입의 개발을 참조하십시오.

참조

참고 항목

• 디젤엔진
• 전구 엔진
• 혼합/이중 사이클
• 부분적으로 사전 혼합된 연소