OTTOSYKLUS: FASER, YTELSE, APPLIKASJONER, LØSTE ØVELSER - FYSISK - 2025

Den Otto syklusen 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.

Otto-syklusen brukes til forbrenningsmotorer som arbeider med en blanding av luft og et flyktig drivstoff som bensin, gass eller alkohol, og hvis forbrenning startes med en elektrisk gnist.

Figur 1. Biler i en Nascar-konkurranse. Kilde: Pixabay.

Faser av Ottosyklusen

Trinnene i Otto-syklusen er:

1. Adiabatisk kompresjon (uten varmeveksling med miljøet).
2. Absorpsjon av varmeenergi i isokorisk form (uten å endre volumet).
3. Adiabatisk ekspansjon (uten varmeveksling med miljøet).
4. Utvisning av varmeenergi i isokorisk form (uten å endre volumet).

Figur 2, vist nedenfor, viser de forskjellige fasene av Ottosyklusen i et PV (trykk-volum) diagram.

Figur 2. PV-diagram over Otto-syklusen. Kilde: self made.

applikasjon

Otto-syklusen gjelder likt for firetakts- og totaktsforbrenningsmotorer.

-4-takts motor

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 driften har nøyaktig fire ganger eller godt merkede trinn som er:

1. Opptaket.
2. Komprimering.
3. Eksplosjonen.
4. Flukten.

Disse stadiene eller tidene oppstår i løpet av to svinger på veivakselen, fordi stempelet går ned og opp i tidene 1 og 2, og igjen går ned og opp i tidene 3 og 4.

Nedenfor beskriver vi i detalj hva som skjer i løpet av disse stadiene.

Trinn 1

Senke stempelet fra det høyeste punktet med inntaksventilene åpne og eksosventilene lukket, slik at luft-drivstoffblandingen trekkes inn i stempelet under nedstigningen.

Inntaket skjer under trinn OA i Otto syklusdiagram ved atmosfæretrykk PA. I dette trinnet er luft-drivstoffblandingen blitt innarbeidet, som er det komprimerbare fluidet som trinnene AB, BC, CD og DA i Otto-syklusen skal påføres.

Steg 2

Rett før stempelet når sitt laveste punkt, lukker begge ventilene seg. Så begynner den å stige på en slik måte at den komprimerer luft-drivstoffblandingen. Denne kompresjonsprosessen skjer så raskt at den praktisk talt ikke gir opp varme til omgivelsene. I Otto-syklusen tilsvarer det den adiabatiske prosessen AB.

Trinn 3

På stempelets høyeste punkt, med blandingen komprimert og ventilene lukket, oppstår eksplosiv forbrenning av blandingen initiert av gnisten. Denne eksplosjonen er så rask at stempelet knapt har kommet ned.

I Otto-syklusen tilsvarer det den isokoriske BC-prosessen der varme blir injisert uten nevneverdig volumendring, og følgelig øker blandingens trykk. Varme tilveiebringes ved den kjemiske reaksjonen av forbrenning av oksygen i luften med drivstoff.

Trinn 4

Høytrykksblandingen ekspanderer og får stempelet til å stige mens ventilene forblir lukkede. Denne prosessen skjer så raskt at varmevekslingen med utsiden er ubetydelig.

På dette tidspunktet utføres positivt arbeid på stempelet, som overføres av forbindelsesstangen til veivakselen som produserer motivkraften. I Otto-syklusen tilsvarer det den adiabatiske prosess-CD.

Trinn 5

Under den nedre delen av slaget blir varme utvist gjennom sylinderen inn i kjølemediet, uten at volumet endres nevneverdig. I Otto-syklusen tilsvarer det DA-isokoriske prosesser.

Trinn 6

I den siste delen av stempelstreken blir den brente blandingen utvist av eksosventilen som forblir åpen, mens inntaksventilen er lukket. Rømning av brente gasser skjer under trinn AO i Otto syklusdiagram.

Hele prosessen gjentas med inngangen gjennom inntaksventilen til en ny luft-drivstoffblanding.

Figur 3. Firetaktsmotor. Kilde: pixabay

Netto arbeid utført i Otto-syklusen

Ottosyklusen fungerer som en varmemotor og kjøres med urviseren.

Arbeidet W utført av en gass som utvider veggene som inneholder det, beregnes med følgende formel:

Hvor Vi er det første volumet og Vf det endelige volumet.

I en termodynamisk syklus tilsvarer nettverket arbeidet området som er omsluttet i syklusen til P - V diagrammet.

Når det gjelder Otto-syklusen, tilsvarer det det mekaniske arbeidet som er gjort fra A til B pluss det mekaniske arbeidet som er gjort fra C til D. Mellom B og C er arbeidet som er gjort null siden det ikke er noen volumendring. Tilsvarende mellom D og A er verket null.

Arbeid utført fra A til B

Anta at vi starter fra punkt A, hvor volumet Va, dets trykk Pa og temperaturen Ta er kjent.

Fra punkt A til punkt B utføres en adiabatisk kompresjon. Under kvasistatiske forhold er adiabatiske prosesser i samsvar med 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 som ble gjort fra A til B vil bli beregnet ut fra forholdet:

Etter å ha tatt integralen og brukt Poissons forhold til adiabatisk prosess, har vi:

Hvor r er kompresjonsforholdet r = Va / Vb.

Arbeid utført fra C til D

Tilsvarende arbeidet utført fra C til D vil bli beregnet av integralen:

Hvis resultat er

Hvor r = Vd / Vc = Va / Vb er kompresjonsforholdet.

Nettoarbeidet vil være summen av de to jobbene:

Netto varme i Otto syklus

I prosessene fra A til B og fra C til D blir det ikke byttet ut varme fordi det er adiabatiske prosesser.

For prosessen fra B til C blir det ikke gjort noe arbeid, og varmen som gis ved forbrenning øker den indre energien i gassen og derfor temperaturen fra Tb til Tc.

Tilsvarende i prosessen fra D til A er det varmeoverføring som også beregnes som:

Nettovarmen vil være:

opptreden

Ytelsen eller effektiviteten til en syklisk motor beregnes ved å finne kvoten på mellom det utførte nettarbeidet og varmen som tilføres systemet for hver driftssyklus.

Hvis de tidligere resultatene er erstattet i det forrige uttrykket og antas at brenselluftblandingen oppfører seg som en ideell gass, oppnås den teoretiske effektiviteten til syklusen, som bare avhenger av kompresjonsforholdet:

Otto syklus løste øvelser

-Øvelse 1

En 1500 cc firetakts bensinmotor med et kompressjonsforhold på 7,5 fungerer i et miljø med atmosfæretrykk på 100 kPa og 20 grader celsius. Bestem nettoarbeid utført per syklus. Anta at forbrenningen bidrar med 850 Joules for hvert gram luft-drivstoffblanding.

Løsning

Netto arbeidsuttrykket var tidligere beregnet:

Vi må bestemme volumet og trykket på punktene B og C i syklusen for å bestemme det utførte nettverket.

Volumet i punkt A hvor sylinderen er blitt fylt med luft-bensinblandingen er forskyvningen på 1500 cm3. Ved punkt B er volumet Vb = Va / r = 200 cc.

Volumet ved punkt C er også 200 cc.

Beregning av trykk ved A, B og C

Trykket i punkt A er atmosfæretrykk. Trykket i punkt B kan beregnes ved å bruke Poissons forhold for en adiabatisk prosess:

Når man tar hensyn til at blandingen hovedsakelig er luft som kan behandles som en diatomisk ideell gass, tar gamma adiabatisk koeffisient verdien 1,4. Da vil trykket ved punkt B være 1837,9 kPa.

Volumet til 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 økningen i temperatur forårsaket av forbrenning. For å beregne det må vi vite hvor mye varme forbrenningen har bidratt.

Varmen som tilføres ved forbrenning er proporsjonal med mengden blanding som blir brent.

Ved å bruke den ideelle gasslikningen for tilstand:

Så varmen som er bidratt ved forbrenning er 1,78 gram x 850 Joules / gram = 1513 Joules. Dette medfører en temperaturøkning som kan beregnes ut fra

Tb kan beregnes fra statens ligning som resulterer i 718 K, så for våre data er den resulterende verdien av Tc 1902 K.

Trykket ved punkt C er gitt av ligningsstillingen påført til dette punktet, noe som resulterer i 4868,6 kPa.

Nettoarbeidet per syklus er da 838,5 Joules.

-Øvelse 2

Bestem motorens effektivitet eller ytelse fra øvelse 1. Forutsatt at motoren går med 3000 o / min, må du bestemme effekten.

Løsning

Deling av nettarbeidet etter den tilførte varmen gir en virkningsgrad på 55,4%. Dette resultatet sammenfaller med det oppnådd ved direkte anvendelse av formelen for effektivitet som en funksjon av kompresjonsforholdet.

Kraft er arbeidet som utføres 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, slik vi forklarte tidligere.

Dette betyr at Ottosyklusen blir repetert 25 ganger på ett sekund, slik at arbeidet som er gjort er 25 x 838,5 Joules på ett sekund.

Dette tilsvarer 20,9 kilowatt effekt tilsvarende 28 hestekrefter.

referanser

1. Termodynamiske sykluser. Gjenopprettet fra: fis.puc.cl
2. Martín, T. og Serrano, A. Otto syklus. Gjenopprettet fra: 2.montes.upm.es.
3. Sevilla University. Wiki fra Department of Applied Physics Otto syklusstudie. Gjenopprettet fra: laplace.us.es.
4. Wikipedia. Otto syklus. Gjenopprettet fra: es.wikipedia.com
5. Wikipedia. Otto-motor. Gjenopprettet fra: es.wikipedia.com