De Otto sykler Det er en termodynamisk syklus som består av to isokoriske prosesser og to adiabatiske prosesser. Denne syklusen skjer på en komprimerbar termodynamisk væske. Den ble opprettet av den tyske ingeniøren Nikolaus Otto på slutten av 1800-tallet, som perfeksjonerte forbrenningsmotoren, forgjengeren til den som finnes i moderne biler. Senere grunnla sønnen Gustav Otto det berømte BMW-selskapet.
Ottosyklusen brukes på forbrenningsmotorer som fungerer med en blanding av luft og et flyktig drivstoff som bensin, gass eller alkohol, og hvis forbrenning startes med en elektrisk gnist.
Artikkelindeks
Trinnene i Otto-syklusen er:
Figur 2, vist nedenfor, viser i et PV-diagram (trykkvolum) de forskjellige fasene i Otto-syklusen.
Ottosyklusen gjelder både firetakts og totakts forbrenningsmotorer.
Denne motoren består av ett eller flere stempler i en sylinder, hver med en (eller to) inntaksventiler og en (eller to) eksosventiler..
Det kalles slik fordi operasjonen har nøyaktig fire ganger eller godt merkede stadier som er:
Disse trinnene eller tidene oppstår i løpet av to svinger av veivakselen, fordi stempelet går ned og opp i tid 1 og 2, og igjen går ned og opp i tider 3 og 4.
Nedenfor beskriver vi i detalj hva som skjer i disse trinnene.
Senke stempelet fra det høyeste punktet med inntaksventilene åpne og eksosventilene lukket, slik at luft-drivstoffblandingen trekkes inn i stempelet under nedstigning.
Inntaket skjer under trinn OA i Otto-syklusdiagrammet ved atmosfæretrykk PA. I dette stadiet er luft-drivstoffblandingen innlemmet, som er den komprimerbare væsken som trinnene AB, BC, CD og DA i Otto-syklusen vil bli påført..
Rett før stemplet når det laveste punktet stenger begge ventilene. Så begynner den å stige på en slik måte at den komprimerer luft-drivstoffblandingen. Denne kompresjonsprosessen skjer så raskt at den gir nesten ingen varme til omgivelsene. I Otto-syklusen tilsvarer det den adiabatiske prosessen AB.
På det høyeste punktet i stempelet, med blandingen komprimert og ventilene stengt, oppstår eksplosiv forbrenning av blandingen initiert av gnisten. Denne eksplosjonen er så rask at stempelet knapt har kommet ned.
I Otto-syklusen tilsvarer det BC-isokorisk prosess der varme injiseres uten merkbar volumendring, og dermed øker trykket i blandingen. Varmen tilføres ved den kjemiske reaksjonen av forbrenning av oksygen i luften med drivstoffet.
Høytrykksblandingen utvides og får stempelet til å synke ned mens ventilene forblir lukkede. Denne prosessen skjer så raskt at varmeutvekslingen med utsiden er ubetydelig.
På dette tidspunktet blir det jobbet positivt med stempelet, som overføres av koblingsstangen til veivakselen og produserer drivkraften. I Otto-syklusen tilsvarer det den adiabatiske prosess-CDen.
Under den nedre delen av slaget ledes varme gjennom sylinderen inn i kjølemediet, uten at volumet endres merkbart. I Otto-syklusen tilsvarer det den isokoriske prosessen DA.
I den siste delen av stempelslaget blir den brente blandingen utvist av eksosventilen som forblir åpen mens inntaksventilen er lukket. Rømningen av brente gasser skjer under trinn AO i Otto-syklusdiagrammet..
Hele prosessen gjentas med innføring gjennom inntaksventilen til en ny luft-drivstoffblanding.
Ottosyklusen fungerer som en varmemotor og kjøres med urviseren.
Arbeidet W utført av en gass som utvider veggene som inneholder den, beregnes med følgende formel:
Hvor Vi er startvolumet og Vf det endelige volumet.
I en termodynamisk syklus tilsvarer nettverket arbeidet som er omsluttet av syklusen til P - V - diagrammet.
I tilfelle Otto-syklusen tilsvarer det det mekaniske arbeidet som er utført fra A til B pluss det mekaniske arbeidet som er utført fra C til D. Mellom B og C er det utførte arbeidet null siden det ikke er noen endring i volum. Tilsvarende mellom D og A er verket null.
Anta at vi starter fra punkt A, hvor volumet Va, trykket Pa og temperaturen Ta er kjent..
Fra punkt A til punkt B utføres en adiabatisk kompresjon. Under kvasi-statiske forhold overholder adiabatiske prosesser Poissons lov, som sier at:
Hvor γ er adiabatisk kvotient definert som kvotienten mellom den spesifikke varmen ved konstant trykk og den spesifikke varmen ved konstant volum.
Så arbeidet utført fra A til B vil bli beregnet av forholdet:
Etter å ha tatt integralet og brukt Poissons forhold for den adiabatiske prosessen, har vi:
Hvor r er kompresjonsforholdet r = Va / Vb.
Tilsvarende vil arbeidet utført fra C til D bli beregnet av integralen:
Hvis resultat er
Å være r = Vd / Vc = Va / Vb kompresjonsforhold.
Netto arbeidet vil være summen av de to jobbene:
I prosessene fra A til B og fra C til D utveksles ingen varme fordi de er adiabatiske prosesser.
For prosessen fra B til C gjøres ikke noe arbeid, og varmen som overføres ved forbrenning øker gassens indre energi og dermed temperaturen fra Tb til Tc.
På samme måte er det i prosessen fra D til A varmeoverføring som også beregnes som:
Nettovarmen vil være:
Ytelsen eller effektiviteten til en syklisk motor beregnes ved å finne kvotienten mellom utført netto arbeid og varmen som tilføres systemet for hver driftssyklus..
Hvis de forrige resultatene er erstattet i forrige uttrykk, og antas også at brenselluftblandingen oppfører seg som en ideell gass, så oppnås den teoretiske effektiviteten til syklusen, som bare avhenger av kompresjonsforholdet:
En bensin-firetaktsmotor med 1500 cc slagvolum og et kompresjonsforhold på 7,5 fungerer i et miljø med et atmosfærisk trykk på 100 kPa og 20 grader Celsius. Bestem nettoarbeidet utført per syklus. Anta at forbrenningen bidrar med 850 Joule for hvert gram luft-drivstoffblanding.
Netto arbeidsuttrykk var tidligere beregnet:
Vi må bestemme volumet og trykket ved punkt B og C i syklusen for å bestemme netto utført arbeid.
Volumet ved punkt A der sylinderen er fylt med luft-bensinblandingen, er fortrengningen på 1500 cc. Ved punkt B er volumet Vb = Va / r = 200 cc.
Volumet ved punkt C er også 200 cc.
Trykket ved punkt A er atmosfærisk trykk. Trykket ved punkt B kan beregnes ved hjelp av Poissons forhold for en adiabatisk prosess:
Tatt i betraktning at blandingen hovedsakelig er luft som kan behandles som en diatomisk idealgass, tar den gamma-adiabatiske koeffisienten verdien 1,4. Da vil trykket ved punkt B være 1837,9 kPa.
Volumet av punkt C er det samme som for punkt B, det vil si 200 cc.
Trykket ved punkt C er høyere enn ved punkt B på grunn av temperaturstigningen forårsaket av forbrenning. For å beregne det må vi vite hvor mye varme forbrenningen har bidratt med.
Varmen som tilføres ved forbrenning er proporsjonal med mengden blanding som blir brent.
Ved å bruke den ideelle gassligningen av tilstanden:
Så varmen som tilføres ved forbrenning er 1,78 gram x 850 Joule / gram = 1513 Joule. Dette medfører en temperaturstigning som kan beregnes ut fra
Tb kan beregnes fra tilstandsligningen som resulterer i 718 K, så for våre data er den resulterende verdien av Tc 1902 K.
Trykket ved punkt C er gitt av tilstandsligningen brukt på det punktet, noe som resulterer i 4868,6 kPa.
Netto arbeid per syklus viser seg da å være 838,5 Joule.
Bestem effektiviteten eller ytelsen til motoren fra øvelse 1. Forutsatt at motoren fungerer ved 3000 o / min, bestem motoren.
Å dele nettoarbeidet med den tilførte varmen gir en effektivitet på 55,4%. Dette resultatet sammenfaller med det som oppnås ved direkte anvendelse av formelen for effektivitet som en funksjon av kompresjonsforholdet.
Kraft er arbeidet utført per tidsenhet. 3000 o / min tilsvarer 50 omdreininger per sekund. Men Otto-syklusen er fullført for hver to omdreininger av motoren fordi den er en firetaktsmotor, som vi forklarte tidligere..
Dette betyr at Otto-syklusen gjentas i løpet av ett sekund 25 ganger, så utført arbeid er 25 x 838,5 Joule på ett sekund..
Dette tilsvarer 20,9 kilowatt kraft tilsvarende 28 hestekrefter.
Ingen har kommentert denne artikkelen ennå.