Otto -faser, prestanda, applikationer, lösta övningar

han Ottocykel Det är en termodynamisk cykel som består av två isokoriska processer och två adiabatiska processer. Denna cykel inträffar på en komprimerbar termodynamisk vätska. Det skapades av den tyska ingenjören Nikolaus Otto i slutet av 1800 -talet, som perfekterade förbränningsmotorn, föregångare från vilken moderna bilar bär. Senare hittade hans son Gustav Otto det berömda BMW -företaget.

Otto -cykeln gäller för förbränningsmotorer som arbetar med en blandning av luft och ett flyktigt bränsle som bensin, gas eller alkohol, och vars förbränning börjar med en elektrisk gnista.

Figur 1. Bilar i en NASCAR -tävling. Källa: Pixabay.

[TOC]

Otto cykelfaser

Stegen i Otto -cykeln är:

1. Adiabatisk komprimering (utan värmeutbyte med miljön).
2. Kalorisk energiabsorption i isokorisk form (utan att ändra volymen).
3. Adiabatisk expansion (utan värmeväxling med miljön).
4. Utvisning av kalorenergi i en isokorisk form (utan att ändra volymen).

Figur 2, som visas nedan, visar i ett P -V -diagram (tryck - volym) de olika faserna i Otto -cykeln.

figur 2. P-V-diagram över Otto-cykeln. Källa: Självgjord.

Ansökan

Otto -cykeln gäller lika för fyra -stroke förbränningsmotorer och två steg.

-4 -stroke -motorn

Denna motor består av en eller flera kolvar i en cylinder, var och en med en (eller två) insugningsventiler och en (eller två) avgasventiler.

Det är så kallat eftersom dess verksamhet bara har fyra välmarkerade stadier eller scener som är:

1. Tillträde.
2. Kompression.
3. Explosionen.
4. Flykten.

Dessa steg eller tider förekommer för två varv av vevaxeln, eftersom kolven sänker och stiger i tiderna 1 och 2, och återigen går ner och stiger i tider 3 och 4.

Därefter beskriver vi vad som händer under dessa steg.

Steg 1

Kolvstörning från den högsta punkten med öppna insugningsventiler och stängt avgaser, så att luftbränsleblandningen sugs av kolven under dess nedstigning.

Antagning sker under OA -passet. I detta skede har luften - bränsleblandningen införlivats, som är den komprimerbara vätskan som stegen AB, BC, CD och DA för Otto -cykeln kommer att appliceras.

Steg 2

Lite innan kolven når den lägsta punkten båda ventilerna stänger. Sedan börjar det klättra så att det komprimerar luftbränsleblandningen. Denna kompressionsprocess inträffar så snabbt att den praktiskt taget inte ger värmen till miljön. I Otto -cykeln motsvarar den den adiabatiska processen AB.

Kan tjäna dig: Neptune (Planet)

Steg 3

Vid kolvens högsta punkt, med den komprimerade blandningen och stängda ventiler, inträffar den explosiva förbränningen av blandningen av gnistan av gnistan. Denna explosion är så snabb att kolven knappt har fallit ner.

I Otto -cykeln motsvarar BC Isocoric -processen där värme injiceras utan en märkbar volymförändring, vilket följer blandningstrycket. Värmen tillhandahålls av den kemiska förbränningsreaktionen av luftens syre med bränslet.

Steg 4

Högtrycksblandningen utvidgar att kolven sjunker medan ventilerna förblir stängda. Denna process inträffar så snabbt att värmeväxlingen med utsidan är försumbar.

Vid denna tidpunkt görs positivt arbete på kolven, som överförs av anslutningsstången till vevaxeln som producerar motorkraften. I Otto -cykeln motsvarar den adiabatiska processen CD.

Steg 5

Under den lägsta delen av rutten förvisas värmen genom cylindern till kylmediet utan att volymen förändras. I Otto -cykeln motsvarar den den isokoriska processen.

Steg 6

I den sista delen av kolvvägen förbränns blandningen av avgasventilen som förblir öppen, medan tillträdet är stängd. Escape of Burned Gases inträffar under AO -steget i Otto -cykeldiagrammet.

Hela processen upprepas med ingången genom tillträdesventilen för en ny luftbränsleblandning.

Figur 3. Fyrtaktsmotor. Källa: Pixabay

Nettoarbete gjort i Otto -cykeln

Otto -cykeln fungerar som en termisk motor och reste i ett schema.

W -arbetet som utför en gas som utvidgar väggarna som innehåller den beräknas av följande formel:

Där vi är den initiala volymen och VF den slutliga volymen.

I en termodynamisk cykel motsvarar nätarbetet det område som är inlåst i P - V -diagramcykeln.

När det gäller Otto -cykeln motsvarar det mekaniska arbete som gjorts från A till B plus det mekaniska arbetet som gjorts från C till D. Mellan B och C är det utförda arbetet ogiltigt eftersom det inte finns någon volymförändring. Liknande mellan D och arbete är ogiltigt.

Arbete gjort från A till B

Anta att vi börjar från punkt A, där dess volym är känd, dess tryck PA och dess temperatur TA.

Det kan tjäna dig: magnetisk induktion: formler, hur det beräknas och exempel

Från punkt A till punkt B utförs en adiabatisk komprimering. Under kvasiestatiska förhållanden uppfyller de adiabatiska processerna Poissons lag, som konstaterar att:

Där y är en adiabatisk kvot som definieras som förhållandet mellan den specifika värmen vid konstant tryck mellan den specifika värmen vid konstant volym.

Så att det arbete som gjorts från A till B skulle beräknas genom förhållandet:

Efter att ha tagit integralen och använt Poissons relation för adiabatisk process har du:

Var r Det är kompressionsförhållandet R = va/vb.

Arbete gjort från C till D

På liknande sätt skulle arbetet som gjorts från C till D beräknas genom integral:

Vars resultat är

Varelse R = vd/vc = va/vb Kompressionsförhållandet.

Nettoarbetet kommer att vara summan av de två verken:

Nettovärme i Otto -cykeln

I processerna från A A B och från C till D utbyts inte värmen eftersom de är adiabatiska processer.

För B A C -processen görs inte arbetet och värmen som tilldelats genom förbränning ökar gasens inre energi och därför dess TB -temperatur till TC.

På liknande sätt finns det värmeuppdrag i processen som också beräknas som:

Nettovärmen kommer att vara:

Prestanda

Prestanda eller effektivitet för en cyklisk motor beräknas genom att hitta förhållandet mellan det gjorda nettoarbetet och värmen som levereras till systemet för varje driftscykel.

Om ovanstående resultat ersätts i det föregående uttrycket och antagandet också antas att bränsleluftblandningen uppträder som en idealisk gas, uppnås den teoretiska effektiviteten i cykeln, vilket endast beror på kompressionsförhållandet:

Otto cykelövningar

-Övning 1

Ett fyra -tidscylindrerat bensinmotor och kompressionsförhållande 7.5 fungerar i en atmosfärisk tryckmiljö på 100 kPa och 20 grader Celsius. Bestäm det nätarbete som gjorts av Cycle. Antag att förbränning ger 850 joules för varje gram luftblandning - bränsle.

Lösning

Uttrycket av nettoarbete hade tidigare beräknats:

Vi måste bestämma volymen och trycket vid punkterna B och C för cykeln för att bestämma det gjorda nätarbetet.

Volymen vid punkt där den har fyllts i cylinder med luften - bensinblandningen är förskjutningen 1500 cc. Vid punkt B är volymen vb = va / r = 200 cc.

Volymen vid punkt C är också 200 cc.

Tryckberäkning i A, B och C

Peka ett tryck är atmosfäriskt tryck. Trycket vid punkt B kan beräknas med Poissons förhållande för en adiabatisk process:

Kan tjäna dig: vad är elen? (Med experiment)

Med hänsyn till att blandningen är främst luft som kan behandlas som en idealisk diatomisk gas, tar den gamma adiabatiska koefficienten värde 1.4. Då kommer trycket vid punkt B 1837,9 kPa.

Volymen för punkt C är densamma som för punkt B, det vill säga 200 cc.

Trycket vid punkt C är större än i punkt B på grund av temperaturökningen orsakad av förbränning. För att beräkna det måste vi veta hur mycket värme förbränningen har bidragit.

Värmen som tillhandahålls av förbränning är proportionell mot mängden blandning som brinner.

Använda den ideala gasstatusekvationen:

Var Rm Det är luftkonstanten vars värde är 286,9 j / (kg k) och m är blandningsmassan som tas i antagningsprocessen. Att rensa massan för tillståndsekvationen och ersätta trycket, temperaturen och volymvärdena vid punkt A erhålls 1,78 gram blandning.

Då är värmen som bidrar med förbränning 1,78 gram x 850 joules/gram = 1513 Joules. Detta orsakar en temperaturökning som kan beräknas från

TB kan beräknas utifrån tillståndsekvationen vilket resulterar i 718 K, sedan för våra data är värdet till följd av TC 1902 K.

Trycket vid punkt C ges av tillståndsekvationen tillämpad på den punkten vilket resulterar i 4868,6 kPa.

Nettoarbete per cykel visar sig vara 838,5 joules.

-Övning 2

Bestämma effektiviteten eller motorprestanda för övning 1. Förutsatt att motorn fungerar på 3000 R.p.m bestämmer kraften.

Lösning

Att dela nettoarbetet mellan den levererade värmen en effektivitet på 55,4% erhålls. Detta resultat sammanfaller med det som erhålls genom direkt tillämpning av effektivitetsformeln baserad på kompressionsförhållandet.

Kraft är det arbete som gjorts per tidsenhet. 3000 r.p.m. motsvarande 50 varv per sekund. Men Otto -cykeln är klar för varje två varv av motorn eftersom den är en fyra -stroke, som vi förklarade ovan.

Detta innebär att Otto -cykeln upprepas i en sekund så att arbetet är 25 x 838,5 joules på en sekund på en sekund.

Detta motsvarar 20,9 kilowatt kraft motsvarande 28 ånghästar.

Referenser

1. Termodynamiska cykler. Återhämtat sig från: FIS.PUC.Kli
2. Martín, T. Och Serrano, till. Ottocykel. Återhämtad från: 2.Monter.UPM.är.
3. Sevilla universitet. Wiki från avdelningen för tillämpad fysikfallscykel för Otto -cykeln. Återhämtat sig från: Laplace.oss.är.
4. Wikipedia. Ottocykel. Återhämtad från: är.Wikipedia.com
5. Wikipedia. Ottomotor. Återhämtad från: är.Wikipedia.com