OTTO CIKLUS: FAZE, PERFORMANSE, APLIKACIJE, RIJEŠENE VJEŽBE - FIZIČKA - 2024

Otto ciklus je termodinamički ciklus koji se sastoji od dvije isochoric procesa i dva adiabatskim procesa. Ovaj ciklus nastaje na stisljivoj termodinamičkoj tekućini. Njega je stvorio njemački inženjer Nikolaus Otto krajem 19. stoljeća, koji je usavršio motor s unutarnjim izgaranjem, prethodnika onom kojeg nalazimo u modernim automobilima. Kasnije je njegov sin Gustav Otto osnovao poznatu tvrtku BMW.

Otto ciklus primjenjuje se na motore s unutarnjim izgaranjem koji rade sa mješavinom zraka i isparljivog goriva poput benzina, plina ili alkohola i čije izgaranje započinje električnom iskrom.

Slika 1. Automobili u konkurenciji za Nascar. Izvor: Pixabay.

Faze ciklusa Otta

Koraci Otto ciklusa su:

1. Adiabatska kompresija (bez izmjene topline s okolinom).
2. Apsorpcija toplinske energije u izohorskom obliku (bez promjene volumena).
3. Adiabatska ekspanzija (bez izmjene topline s okolinom).
4. Izbacivanje toplinske energije u izohorskom obliku (bez promjene volumena).

Slika 2, prikazana dolje, pokazuje različite faze Otto ciklusa u PV dijagramu (tlak-volumen).

Slika 2. PV dijagram Otto ciklusa. Izvor: self made.

primjena

Otto ciklus jednako vrijedi za četverotaktne i dvotaktne motore s unutarnjim izgaranjem.

-4-taktni motor

Ovaj se motor sastoji od jednog ili više klipa u cilindru, svaki s jednim (ili dva) usisna ventila i jednim (ili dva) ispušnim ventilima.

Zove se ovako jer njegovo djelovanje ima točno četiri puta ili dobro označene faze koje su:

1. Prijem.
2. Kompresija.
3. Eksplozija.
4. Bijeg.

Ove faze ili vremena događaju se tijekom dva okreta radilice, jer se klip smanjuje i penje u puta 1 i 2, i ponovo se spušta prema gore u puta 3 i 4.

Ispod ćemo detaljno opisati što se događa tijekom ovih faza.

Korak 1

Spuštanje klipa s najviše točke s otvorenim usisnim ventilima i zatvaranjem ispušnih ventila, tako da se smjesa zrak-gorivo uvuče u klip tokom njegovog spuštanja.

Unos se događa tijekom koraka OA dijagrama ciklusa Ottoa pri atmosferskom tlaku PA. U ovoj je fazi ugrađena smjesa zrak-gorivo, što je stisljiva tekućina na koju će se primijeniti stupnjevi AB, BC, CD i DA ciklusa Otto.

Korak 2

Malo prije nego što klip dosegne najnižu točku, oba se ventila zatvaraju. Tada se počinje dizati na takav način da komprimira smjesu zrak-gorivo. Ovaj se postupak kompresije odvija tako brzo da se praktično ne zagrijava okolina. U Otto ciklusu odgovara adiabatskom procesu AB.

3. korak

U najvišoj točki klipa, sa smjesom stisnutom i zatvorenim ventilima, dolazi do eksplozivnog sagorijevanja smjese potaknute iskre. Ova eksplozija je tako brza da se klip jedva spustio.

U Otto ciklusu odgovara izokornom BC procesu gdje se ubrizgava toplina bez značajne promjene volumena, što posljedično povećava tlak smjese. Toplina se osigurava kemijskom reakcijom izgaranja kisika u zraku s gorivom.

4. korak

Smjesa visokog pritiska širi se uzrokuje spuštanje klipa dok ventili ostaju zatvoreni. Ovaj se proces odvija tako brzo da je izmjena topline s vani zanemariva.

U ovom se trenutku pozitivno radi na klipu, koji se klipom prenosi na radilicu, čime se proizvodi pokretačka sila. U Otto ciklusu odgovara CD-u o adiabatskom procesu.

5. korak

Tijekom donjeg dijela udara, toplina se kroz cilindar izbacuje u rashladno sredstvo, a da se volumen ne mijenja vidljivo. U Otto ciklusu odgovara DA-jevom izohorskom procesu.

Korak 6

U završnom dijelu hoda klipa, izgorjelu smjesu izbacuje ispušni ventil koji ostaje otvoren, a usisni ventil je zatvoren. Do izgaranja izgaranih plinova dolazi tijekom koraka AO u dijagramu ciklusa Otta.

Cijeli se postupak ponavlja s ulaskom nove usisne smjese zraka i goriva kroz usisni ventil.

Slika 3. Četvorotaktni motor. Izvor: pixabay

Neto posao obavljen u Ottovom ciklusu

Otto ciklus djeluje poput toplinskog motora i pokreće se u smjeru kazaljke na satu.

Rad W koji vrši plin koji proširuje zidove koji ga sadrže izračunava se sljedećom formulom:

Gdje je Vi početni volumen, a Vf krajnji volumen.

U termodinamičkom ciklusu rad mreže odgovara području priloženom u ciklusu P - V dijagrama.

U slučaju Otto ciklusa, to odgovara mehaničkom radu izvedenom od A do B plus mehaničkom radu od C do D. Između B i C obavljeni rad je nula jer nema promjene volumena. Slično između D i A, rad je nula.

Rad od A do B

Pretpostavimo da krenemo od točke A, odakle su poznati njegov volumen Va, tlak Pa i temperatura Ta.

Od točke A do točke B provodi se adijabatna kompresija. U kvazi-statičkim uvjetima adiabatski procesi su u skladu s Poissonovim zakonom koji kaže da:

Gdje je γ adijabatski kvocijent definiran kao kvocijent između specifične topline pri konstantnom tlaku i specifične topline pri konstantnom volumenu.

Dakle, rad od A do B izračunao bi se prema odnosu:

Nakon uzimanja integrala i korištenja Poissonovog omjera za adijabatski proces, imamo:

Gdje je r omjer kompresije r = Va / Vb.

Rad od C do D

Slično tome, rad od C do D izračunao bi se integralom:

Čiji je rezultat

Gdje je r = Vd / Vc = Va / Vb je omjer kompresije.

Neto rad će biti zbroj dva posla:

Neto toplina u Otto ciklusu

U procesima od A do B i od C do D ne izmjenjuje se toplina jer su adijabatski procesi.

Za proces od B do C ne radi se ništa, a toplina koja se daje sagorijevanjem povećava unutarnju energiju plina, a samim tim i njegovu temperaturu od Tb do Tc.

Slično tome, u procesu od D do A dolazi do prijenosa topline koji se također izračunava kao:

Neto toplina će biti:

izvođenje

Učinkovitost ili učinkovitost cikličkog motora izračunava se pronalaženjem kvocijenta između učinjenog neto rada i topline koja se dovodi u sustav za svaki ciklus rada.

Ako su prethodni rezultati zamijenjeni u prethodnom izrazu i pretpostavka je da se mješavina goriva i zraka ponaša kao idealan plin, tada se postiže teorijska učinkovitost ciklusa, koja ovisi samo o omjeru kompresije:

Otto ciklus riješio vježbe

-Vježba 1

Benzinski četvorotaktni motor zapremine 1500 ccm sa omjerom kompresije 7,5 djeluje u okruženju s atmosferskim tlakom od 100 kPa i 20 stupnjeva Celzija. Odredite neto rad po ciklusu. Pretpostavimo da izgaranje doprinosi 850 Joula za svaki gram smjese zraka i goriva.

Riješenje

Neto radni izraz prethodno je izračunat:

Moramo odrediti volumen i tlak u točkama B i C ciklusa da bismo utvrdili neto obavljeni rad.

Volumen u točki A u kojoj je cilindar napunjen mješavinom zrak-benzin iznosi 15 cm3. U točki B volumen je Vb = Va / r = 200 ccm.

Volumen u točki C je također 200 ccm.

Proračun tlaka na A, B i C

Tlak u točki A je atmosferski tlak. Tlak u točki B može se izračunati korištenjem Poissonovog omjera za adijabatski postupak:

Uzimajući u obzir da je smjesa pretežno zrak koji se može tretirati kao dijatomejski idealni plin, gama adijabatski koeficijent uzima vrijednost 1,4. Tada će tlak u točki B biti 1837,9 kPa.

Volumen točke C jednak je volumenu točke B, to jest 200 ccm.

Tlak u točki C je viši nego u točki B zbog povećanja temperature izazvane izgaranjem. Da bismo ga izračunali moramo znati koliko je topline doprinijelo izgaranje.

Toplina koju doprinosi izgaranjem proporcionalna je količini izgarane smjese.

Koristeći stanje jednadžbe idealnog plina:

Dakle, toplina doprinošena izgaranjem iznosi 1,78 grama x 850 Joules / gram = 1513 Joules. To uzrokuje porast temperature koji se može izračunati iz

Tb se može izračunati iz jednadžbe stanja koja rezultira 718 K, tako da za naše podatke dobivena vrijednost Tc iznosi 1902 K.

Tlak u točki C dan je jednadžbom stanja primijenjenog na tu točku koja rezultira s 4868,6 kPa.

Neto rad po ciklusu je tada 838,5 Joulesa.

-Vježba 2

Utvrdite učinkovitost ili performanse motora iz vježbe 1. Pod pretpostavkom da motor radi pri 3000 o / min odredite snagu.

Riješenje

Razdvajanje neto rada na isporučenu toplinu daje učinkovitost od 55,4%. Taj se rezultat podudara s onim dobivenim izravnom primjenom formule za učinkovitost kao funkciju omjera kompresije.

Snaga je posao obavljen u jedinici vremena. 3000 okr / min jednako je 50 okretaja u sekundi. Ali Otto ciklus je dovršen za svaka dva okretaja motora jer je riječ o četverotaktnom motoru, kao što smo ranije objasnili.

To znači da se u jednoj sekundi Otto ciklus ponavlja 25 puta, tako da je obavljeni rad 25 x 838,5 Joulesa u jednoj sekundi.

To odgovara 20,9 kilovata snage ekvivalentne 28 konjskih snaga.

Reference

1. Termodinamički ciklusi. Oporavak od: fis.puc.cl
2. Martín, T. i Serrano, A. Otto ciklus. Oporavak od: 2.montes.upm.es.
3. Sveučilište Sevilla. Wiki Odjel za primijenjenu fiziku Otto ciklus studije slučaja. Oporavak od: laplace.us.es.
4. Wikipedia. Otto ciklus. Oporavak od: es.wikipedia.com
5. Wikipedia. Otto motor. Oporavak od: es.wikipedia.com