Det Otto cykler Det er en termodynamisk cyklus, der består af to isokoriske processer og to adiabatiske processer. Denne cyklus forekommer på en komprimerbar termodynamisk væske. Det blev oprettet af den tyske ingeniør Nikolaus Otto i slutningen af det 19. århundrede, der perfektionerede forbrændingsmotoren, forgængeren til den, der findes i moderne biler. Senere grundlagde hans søn Gustav Otto det berømte BMW-firma.
Otto-cyklussen anvendes på forbrændingsmotorer, der arbejder med en blanding af luft og et flygtigt brændstof såsom benzin, gas eller alkohol, og hvis forbrænding startes med en elektrisk gnist.
Artikelindeks
Trinene i Otto-cyklussen er:
Figur 2, vist nedenfor, viser i et PV-diagram (trykvolumen) de forskellige faser af Otto-cyklussen.
Otto-cyklussen gælder også firetakts- og totaktsforbrændingsmotorer.
Denne motor består af et eller flere stempler i en cylinder, hver med en (eller to) indsugningsventiler og en (eller to) udstødningsventiler..
Det kaldes sådan, fordi dets operation har nøjagtigt fire gange eller markerede stadier, der er:
Disse stadier eller tider opstår i løbet af to omdrejninger af krumtapakslen, fordi stemplet går ned og op i gange 1 og 2 og igen går ned og op i gange 3 og 4.
Nedenfor beskriver vi detaljeret, hvad der sker i disse faser.
Sænkning af stemplet fra det højeste punkt med indsugningsventilerne åbne og udstødningsventilerne lukkede, så luft-brændstofblandingen trækkes ind i stemplet under dens nedstigning.
Indtaget sker under trin OA i Otto-cyklusdiagrammet ved atmosfærisk tryk PA. I dette trin er luft-brændstofblandingen blevet inkorporeret, som er den komprimerbare væske, hvor trin AB, BC, CD og DA i Otto-cyklussen vil blive anvendt..
Kort før stemplet når det laveste punkt, lukkes begge ventiler. Derefter begynder den at stige på en sådan måde, at den komprimerer luft-brændstofblandingen. Denne komprimeringsproces sker så hurtigt, at den praktisk talt ikke giver nogen varme til omgivelserne. I Otto-cyklussen svarer det til den adiabatiske proces AB.
På stemplets højeste punkt, når blandingen er komprimeret og ventiler lukket, opstår eksplosiv forbrænding af blandingen, der er initieret af gnisten. Denne eksplosion er så hurtig, at stemplet næppe er faldet ned.
I Otto-cyklussen svarer det til BC-isokorisk proces, hvor varme injiceres uden mærkbar volumenændring, hvilket øger blandingens tryk. Varmen tilvejebringes ved den kemiske reaktion af forbrænding af ilt i luften med brændstoffet.
Højtryksblandingen udvides, hvilket får stemplet til at falde ned, mens ventilerne forbliver lukkede. Denne proces sker så hurtigt, at varmeudvekslingen med ydersiden er ubetydelig.
På dette tidspunkt udføres der positivt arbejde med stemplet, der transmitteres af forbindelsesstangen til krumtapakslen, hvilket frembringer drivkraften. I Otto-cyklussen svarer det til den adiabatiske proces-cd.
Under den nederste del af slaget ledes varme gennem cylinderen ind i kølemidlet, uden at volumen ændres mærkbart. I Otto-cyklussen svarer det til den isokoriske proces DA.
I den sidste del af stempelslaget uddrives den brændte blanding af udstødningsventilen, som forbliver åben, mens indsugningsventilen er lukket. Udslip af forbrændte gasser sker under trin AO i Otto-cyklusdiagrammet..
Hele processen gentages med adgang gennem en ny luft-brændstofblanding gennem indsugningsventilen.
Otto-cyklussen fungerer som en varmemotor og køres med uret.
Arbejdet W udført af en gas, der udvider væggene, der indeholder den, beregnes efter følgende formel:
Hvor Vi er startvolumen og Vf slutvolumen.
I en termodynamisk cyklus svarer netværket til det område, der er indesluttet i cyklussen i P - V - diagrammet.
I tilfælde af Otto-cyklussen svarer det til det mekaniske arbejde udført fra A til B plus det mekaniske arbejde udført fra C til D. Mellem B og C er det udførte arbejde nul, da der ikke er nogen volumenændring. Tilsvarende mellem D og A er værket nul.
Antag, at vi starter fra punkt A, hvor dets volumen Va, dets tryk Pa og dets temperatur Ta er kendt..
Fra punkt A til punkt B udføres en adiabatisk kompression. Under kvasistatiske forhold overholder adiabatiske processer Poissons lov, der siger, at:
Hvor γ er adiabatisk kvotient defineret som kvotienten mellem den specifikke varme ved konstant tryk og den specifikke varme ved konstant volumen.
Så arbejdet udført fra A til B vil blive beregnet af forholdet:
Efter at have taget integralet og brugt Poissons forhold til den adiabatiske proces har vi:
Hvor r er kompressionsforholdet r = Va / Vb.
På samme måde beregnes arbejdet fra C til D af integralen:
Hvis resultat er
At være r = Vd / Vc = Va / Vb kompressions forhold.
Nettoarbejdet er summen af de to job:
I processerne fra A til B og fra C til D udveksles ingen varme, fordi de er adiabatiske processer.
For processen fra B til C udføres der ikke noget arbejde, og varmen, der overføres ved forbrænding, øger gassens indre energi og derfor dens temperatur fra Tb til Tc.
På samme måde er der i processen fra D til A varmeoverførsel, der også beregnes som:
Nettovarmen vil være:
Ydelsen eller effektiviteten af en cyklisk motor beregnes ved at finde kvotienten mellem det udførte nettoarbejde og den varme, der tilføres systemet for hver driftscyklus..
Hvis der i det foregående udtryk er erstattet de tidligere resultater, og antagelsen også antages, at brændstofluftblandingen opfører sig som en ideel gas, så opnås cyklusens teoretiske effektivitet, hvilket kun afhænger af kompressionsforholdet:
En 1500 cc slagvolumen benzin firetaktsmotor med et 7,5 kompressionsforhold fungerer i et miljø med et atmosfærisk tryk på 100 kPa og 20 grader Celsius. Bestem nettoarbejdet pr. Cyklus. Antag, at forbrændingen bidrager med 850 Joule for hvert gram luft-brændstofblanding.
Netværksudtrykket var tidligere beregnet:
Vi er nødt til at bestemme volumen og tryk ved cyklussens punkter B og C for at bestemme det udførte nettoarbejde.
Volumenet ved punkt A, hvor cylinderen er fyldt med luft-benzinblandingen, er forskydningen på 1500 cc. Ved punkt B er lydstyrken Vb = Va / r = 200 cc.
Volumen ved punkt C er også 200 cc.
Trykket ved punkt A er atmosfærisk tryk. Trykket ved punkt B kan beregnes ved hjælp af Poissons forhold til en adiabatisk proces:
Under hensyntagen til, at blandingen overvejende er luft, der kan behandles som en diatomisk idealgas, tager den gamma-adiabatiske koefficient værdien 1,4. Derefter vil trykket ved punkt B være 1837,9 kPa.
Volumenet af punkt C er det samme som for punkt B, det vil sige 200 cc.
Trykket ved punkt C er højere end ved punkt B på grund af temperaturstigning forårsaget af forbrænding. For at beregne det skal vi vide, hvor meget varme forbrændingen har bidraget med.
Varmen, der tilføres ved forbrænding, er proportional med mængden af blanding, der brændes.
Brug af den ideelle gasligning af tilstand:
Så varmen, der tilføres ved forbrænding, er 1,78 gram x 850 Joule / gram = 1513 Joule. Dette medfører en temperaturstigning, der kan beregnes ud fra
Tb kan beregnes ud fra tilstandsligningen, hvilket resulterer i 718 K, så for vores data er den resulterende værdi af Tc 1902 K.
Trykket ved punkt C gives af tilstandsligningen anvendt til dette punkt, hvilket resulterer i 4868,6 kPa.
Nettoværket pr. Cyklus viser sig derefter at være 838,5 Joule.
Bestem motorens effektivitet eller ydeevne fra øvelse 1. Forudsat at motoren fungerer ved 3000 omdr./min, skal du bestemme effekten.
At dele nettoarbejdet med den leverede varme giver en effektivitet på 55,4%. Dette resultat falder sammen med resultatet opnået ved direkte anvendelse af formlen for effektivitet som en funktion af kompressionsforholdet.
Effekt er det arbejde, der udføres pr. Tidsenhed. 3000 omdr./min. svarer til 50 omdrejninger pr. sekund. Men Otto-cyklussen er afsluttet for hver to omdrejninger af motoren, fordi det er en firetaktsmotor, som vi forklarede tidligere..
Dette betyder, at Otto-cyklussen gentages 25 gange på et sekund, så det udførte arbejde er 25 x 838,5 Joule på et sekund..
Dette svarer til 20,9 kilowatt effekt svarende til 28 hestekræfter.
Endnu ingen kommentarer