Otto, Diesel & dual cycle - TU Delft OCW ... Otto, Diesel & dual cycle Energietechniek March 18,...

download Otto, Diesel & dual cycle - TU Delft OCW ... Otto, Diesel & dual cycle Energietechniek March 18, 2011

of 37

  • date post

    16-Apr-2020
  • Category

    Documents

  • view

    1
  • download

    0

Embed Size (px)

Transcript of Otto, Diesel & dual cycle - TU Delft OCW ... Otto, Diesel & dual cycle Energietechniek March 18,...

  • March 18, 2011

    1

    Thermodynamica 1

    Bendiks Jan Boersma Wiebren de Jong Thijs Vlugt Theo Woudstra

    lecture 12

    Otto, Diesel & dual cycle

  • Energietechniek

    March 18, 2011 2

    Standaard-lucht aannames / Koude-lucht standaard

    Standaard lucht aannames • Werkmedium is lucht met ideaal gas gedrag • Kringproces is gesloten • Deel processen zijn inwendig reversibel • Verbrandingsprocessen worden vervangen door warmte toevoer vanuit een

    externe bron

    • Uitdrijfproces wordt vervangen door warmteafvoer proces waardoor werkmedium in oorspronkelijke toestand terugkomt

    Koude-lucht standaard aannames • Soortelijke warmte (cp , cv ) constant bij kamer temperatuur (25ºC)

    Lucht

    Brandstof Verbranding

    kamer

    Verbranding producten

    Lucht LuchtWarmtetoevoer sectie

    Warmte

    then also constantp

    v

    c k

    c 

  • Energietechniek

    March 18, 2011 3

    Cycle processes

    Historisch p =const

    V =const

    T =const

    dQ =0

    Papin 1690

    p V

    Stirling (Robert) James

    1815 V T

    Carnot 1824

    (Diesel, 1893/7) T dQ

    p

    V

    1

    2 3

    4

    T

    S

    1

    2

    3

    4

    p

    V

    1

    2

    3

    4

    T

    S

    1

    2 3

    4

    1

    2 3

    4

    T

    S

    p

    V

    4

    3

    2

    1

    http://images.google.nl/imgres?imgurl=www.th.physik.uni-frankfurt.de/~jr/gif/stamps/sm_carnot.jpg&imgrefurl=http://www.th.physik.uni-frankfurt.de/~jr/physstamps.html&h=400&w=263&sz=41&tbnid=AXgsdkYe1HQJ:&tbnh=118&tbnw=78&prev=/images%3Fq%3DCarnot%26start%3D40%26svnum%3D10%26hl%3Dnl%26lr%3D%26ie%3DUTF-8%26oe%3DUTF-8%26sa%3DN http://images.google.nl/imgres?imgurl=www.physik.uni-frankfurt.de/~jr/gif/stamps/s_papin.jpg&imgrefurl=http://www.physik.uni-frankfurt.de/~jr/physstamps.html&h=610&w=400&sz=44&tbnid=pjGFRAoXP40J:&tbnh=132&tbnw=87&prev=/images%3Fq%3DPapin%26start%3D60%26svnum%3D10%26hl%3Dnl%26lr%3D%26ie%3DUTF-8%26oe%3DUTF-8%26sa%3DN

  • Energietechniek

    March 18, 2011 4

    Cycle processes

    Historisch p =const

    V =const

    T =const

    dQ =0

    Ericsson 1833 Joule 1852 Brayton 1867 p dQ

    Ericsson 1853

    p T

    Otto 1867 (Barsanti - Mat-

    teucci 1854) V dQ

    T

    S

    1

    2

    3

    4

    p

    V

    1

    2 3

    4

    p

    V

    4

    1 2

    3

    T

    S

    1

    2 3

    4

    p

    V

    2

    3

    4

    1

    T

    S

    1

    2

    3

    4

  • Energietechniek

    March 18, 2011 5

    Recap: reversible process steps in closed systems

    isotherm (T=const.)

    isochor (v=const.)

    isobar (p=const.)

    adiabatic (dQ=0)

    polytropic (pvn=const.)

    W12  2

    1

    v

    v dvpmQ12

    1

    2

    1

    2 lnln v vRT

    p pRT  QW 1212 

    0

    0

     121 vvpm 

     12 uum 

     11221 vpvpn m

     

     12 2

    1

    uumdTcm T

    T v 

     12 2

    1

    hhmdTcm T

    T p 

      Wuum 1212 

    ideal gas ideal gas

  • Energietechniek

    March 18, 2011 6

    Recap: reversible process steps in closed systems

    isotherm (T=const.)

    isochor (v=const.)

    isobar (p=const.)

    adiabatic (dQ=0)

    polytropic (pvn=const.)

    W12Q12 p

    V

    W121

    2

    T

    S

    Q121

    2 p v

    p

    V

    2

    1

    T

    S

    1

    2

    p

    V

    W12 1

    2

    p

    V

    1

    2

    for 1>n>k W12

    T

    S

    1

    2 Q12

    for 1>n>k

    T

    S

    Q121 2

    p v

    p

    V

    21 W12

    T

    S

    Q12

    1 2

    T1 T2

    T2 T1

    012  Q

    012  W

  • Energietechniek

    March 18, 2011 7

    Ideal gas (cold air standard)

    1 *

    1 1 1 1 2 2

    1 1

    1 2 1

    2 1 2

    1 **

    1 1 1

    2 2

    /

    /

    PV Const TV Const

    P mRT V

    TV T V

    T V V T V V

    PV Const P T Const

    V mRT P

    P T P T

     

     

      

     

     

     

                

     

          

  • Energietechniek

    Otto motor

    1 21

    11 ; met /rev k r V Vr    

    Rendement hangt alleen af van de compressie verhouding

    Brandstof wordt samen met lucht gecomprimeerd

    Beperkende factor is de vroegtijdige ontbranding “knock”

  • Energietechniek

    March 18, 2011 9

    Diesel

    Rudolf Diesel

  • Energietechniek

    March 18, 2011 10

    Werkspoor diesel 1951

    Cilinderboring (diameter doorsnee) 390mm

    Slag (op- en neergaande beweging) 680mm

    Aantal cilinders 10

    Omwentelingen per minuut (maximaal) 275

    Vermogen in epk (bij vol vermogen)

    2100 pk /1500 kW

  • Energietechniek

    March 18, 2011 11

    Moderne diesel

    A=7.5m B+F=4.3m

  • Energietechniek

    March 18, 2011 12

    Length: 89 feet (27 meter)

    Height: 44 feet (13 meter)

    Maximum power: 108,920 hp at 102 rpm

    80MW

  • Energietechniek

    March 18, 2011 13

     4141 uumQ  041  W

    034  Q  3434 uumW 

     2323 hhmQ   23223 VVpW 

    012  Q  1212 uumW 

    Diesel process

    Q23

    Q41

    T

    S

    p

    V

    2

    1 T1

    3

    4 T4

    1

    2

    p1 4

    3

    internally reversible processes 1-2 adiabatic compression of the air as the piston moves from bottom dead

    center to top dead center

    2-3 first part of power stroke: isobaric heating of air from external source – to mimic ignition and oxidation of fuel-air mixture

    3-4 second part of power stroke: adiabatic expansion

    4-1 isochoric heat transfer to external reservoir – to mimic the release of hot exhaust and uptake of fresh (cool) fuel-air mixture

    p2 =p3

    v1 =v4 De lucht wordt gecomprimeerd en de temperatuur neemt daardoor toe. Als de cylinder op het hoogste punt is wordt brandstof ingespoten die dan spontaan gaat ontbranden. Door de constructie heeft de motor geen “knock”

  • Energietechniek

    March 18, 2011 14

    Diesel process (s,p,s,v)

     1212 uumW 

     3434 uumW 

    T

    S

    p

    V

    2

    1

    3

    4 1

    2

    p1 4

    3 p2 =p3

    v1 =v4

     4141 uumQ 

    034  Q

     2323 hhmQ 

    012  Q

     23223 VVpW 

    041  W

    2

    3: V Vrc the ratio V3 /V2 is called cut-off ratio rc , with

    2

    3

    T Trc 

    3

    32

    2

    2

    V T

    mR p

    V T

    

    ideal gas with p2 =p3

    the ratio V1 /V2 is the compression ratio r, with 2

    1: V Vr 

  • Energietechniek

    March 18, 2011 15

    Efficiency of the Diesel engine (s,p,s,v) thermal efficiency (reversible cycle)

    cold air standard

    Q23

    Q41

    T

    S

    p

    V

    2

    1 T1

    3

    4 T4

    2 p1

    4

    3 p2 =p3

    v1 =v412 34 23

    23 23

    23 41 41 1 4

    23 23 3 2 1 1

    cyc rev

    rev

    W W WW Q Q Q Q Q u u

    Q Q h h

            

             

      

        23

    41

    23

    41 111 TT TT

    kTTc TTc

    p

    vrev

     

      

    

    1

       1

    111 232

    141

     

     TTT TTT

    k rev 1

    1

    1

    2

    2

    1 1 

     

      

      k

    k

    rV V

    T T

    crV V

    T T

     2

    3

    2

    3

    1

    4

    1

    4

    p p

    T T

    k c

    k

    r V V

    p p

     

      

     

    2

    3

    1

    4

    k

    V V

    p p

     

      

     

    4

    3

    3

    4

    k

    V V

    p p

     