The Otto cyklus Jedná se o termodynamický cyklus, který se skládá ze dvou izochorických procesů a dvou adiabatických procesů. Tento cyklus probíhá na stlačitelné termodynamické tekutině. Byl vytvořen německým inženýrem Nikolausem Ottem na konci 19. století, který zdokonalil spalovací motor, předchůdce toho, který se nachází v moderních automobilech. Později jeho syn Gustav Otto založil slavnou společnost BMW.
Ottoův cyklus se aplikuje na spalovací motory, které pracují se směsí vzduchu a těkavého paliva, jako je benzín, plyn nebo alkohol, a jejichž spalování se spouští elektrickou jiskrou.
Rejstřík článků
Kroky Ottova cyklu jsou:
Obrázek 2, zobrazený níže, ukazuje v P-V (tlak-objem) diagram různých fází Ottova cyklu.
Otto cyklus platí stejně pro čtyřtaktní i dvoutaktní spalovací motory.
Tento motor se skládá z jednoho nebo více pístů ve válci, z nichž každý má jeden (nebo dva) sací ventily a jeden (nebo dva) výfukové ventily..
Nazývá se to takhle, protože jeho provoz má přesně čtyřikrát nebo dobře vyznačené fáze, které jsou:
Tyto fáze nebo časy nastávají během dvou otáček klikového hřídele, protože píst klesá dolů a nahoru v časech 1 a 2 a znovu klesá a nahoru v časech 3 a 4.
Níže podrobně popisujeme, co se děje během těchto fází.
Spouštění pístu z nejvyššího bodu při otevřených sacích ventilech a zavřených výfukových ventilech, aby se směs vzduchu a paliva při sestupu nasávala do pístu.
K nasávání dochází během kroku OA diagramu Ottova cyklu při atmosférickém tlaku PA. V této fázi byla začleněna směs vzduchu a paliva, což je stlačitelná tekutina, na kterou budou aplikovány stupně AB, BC, CD a DA Ottova cyklu..
Krátce předtím, než píst dosáhne nejnižšího bodu, se oba ventily zavřou. Pak začne stoupat takovým způsobem, že stlačuje směs vzduchu a paliva. Tento kompresní proces probíhá tak rychle, že nedává prakticky žádné teplo do okolí. V Ottově cyklu odpovídá adiabatickému procesu AB.
V nejvyšším bodě pístu, při stlačené směsi a uzavřených ventilech, dojde k explozivnímu spalování směsi iniciované jiskrou. Tato exploze je tak rychlá, že píst sotva sestoupil.
V Ottově cyklu odpovídá BC izochorickému procesu, kdy se vstřikuje teplo bez znatelné změny objemu, což následně zvyšuje tlak směsi. Teplo je poskytováno chemickou reakcí spalování kyslíku ve vzduchu s palivem.
Vysokotlaká směs se rozpíná a způsobuje, že píst klesá, zatímco ventily zůstávají zavřené. Tento proces probíhá tak rychle, že výměna tepla s vnějším je zanedbatelná.
V tomto bodě se pozitivně pracuje na pístu, který je přenášen ojnicí na klikový hřídel a vytváří hnací sílu. V Ottově cyklu odpovídá CD adiabatického procesu.
Během spodní části zdvihu je teplo odváděno válcem do chladiva, aniž by se objem výrazně změnil. V Ottově cyklu odpovídá isochorickému procesu DA.
V závěrečné části zdvihu pístu je spálená směs vypuzována výfukovým ventilem, který zůstává otevřený, zatímco sací ventil je uzavřen. K úniku spálených plynů dochází během kroku AO v diagramu Ottova cyklu..
Celý proces se opakuje se vstupem nové směsi vzduch-palivo přes sací ventil.
Otto cyklus funguje jako tepelný motor a běží ve směru hodinových ručiček.
Práce W provedená plynem, který rozšiřuje stěny, které ji obsahují, se vypočítá podle následujícího vzorce:
Kde Vi je počáteční objem a Vf konečný objem.
V termodynamickém cyklu odpovídá síťová práce oblasti uzavřené v cyklu P-V diagramu.
V případě Ottova cyklu odpovídá mechanické práci od A do B plus mechanické práci od C do D. Mezi B a C je práce nulová, protože nedochází ke změně objemu. Podobně mezi D a A je práce nulová.
Předpokládejme, že vycházíme z bodu A, kde je znám jeho objem Va, jeho tlak Pa a jeho teplota Ta..
Z bodu A do bodu B se provádí adiabatická komprese. Za kvazi-statických podmínek jsou adiabatické procesy v souladu s Poissonovým zákonem, který stanoví, že:
Kde γ je adiabatický kvocient definovaný jako podíl mezi specifickým teplem při konstantním tlaku a specifickým teplem při konstantním objemu.
Takže práce od A do B by se počítala podle vztahu:
Po převzetí integrálu a použití Poissonova poměru pro adiabatický proces máme:
Kde r je kompresní poměr r = Va / Vb.
Podobně by se práce od C do D počítala z integrálu:
Čí je výsledek
Bytost r = Vd / Vc = Va / Vb kompresní poměr.
Čistá práce bude součtem dvou pracovních míst:
V procesech od A do B a od C do D nedochází k výměně tepla, protože se jedná o adiabatické procesy.
U procesu z B do C se neprovádí žádná práce a teplo přenášené spalováním zvyšuje vnitřní energii plynu, a proto jeho teplotu z Tb na Tc.
Podobně v procesu od D do A dochází k přenosu tepla, který se také počítá jako:
Čisté teplo bude:
Výkon nebo účinnost cyklického motoru se vypočítá nalezením kvocientu mezi odvedenou čistou prací a teplem dodávaným do systému pro každý provozní cyklus..
Pokud jsou v předchozím výrazu dosazeny předchozí výsledky a zároveň je učiněn předpoklad, že se směs paliva a vzduchu chová jako ideální plyn, je dosažena teoretická účinnost cyklu, která závisí pouze na kompresním poměru:
Benzinový čtyřtaktní motor se zdvihovým objemem 1 500 cm3 a kompresním poměrem 7,5 pracuje v prostředí s atmosférickým tlakem 100 kPa a 20 stupňů Celsia. Určete čistou práci vykonanou za cyklus. Předpokládejme, že spalování přispívá 850 Joulů na každý gram směsi vzduchu a paliva.
Čistý pracovní výraz byl dříve vypočítán:
Musíme určit objem a tlak v bodech B a C cyklu, abychom určili provedenou čistou práci.
Objem v bodě A, kde byl válec naplněn směsí vzduch-benzin, je výtlak 1 500 cm3. V bodě B je objem Vb = Va / r = 200 ml.
Objem v bodě C je také 200 ml.
Tlak v bodě A je atmosférický tlak. Tlak v bodě B lze vypočítat pomocí Poissonova poměru pro adiabatický proces:
Vezmeme-li v úvahu, že směsí je převážně vzduch, který lze považovat za diatomický ideální plyn, má gama adiabatický koeficient hodnotu 1,4. Pak bude tlak v bodě B 1837,9 kPa.
Objem bodu C je stejný jako objem bodu B, tj. 200 ml.
Tlak v bodě C je vyšší než v bodě B v důsledku nárůstu teploty způsobeného spalováním. Abychom to mohli vypočítat, potřebujeme vědět, kolik tepla přispělo spalování.
Teplo přispívající spalováním je úměrné množství směsi, která se spaluje.
Pomocí rovnice stavu ideálního plynu:
Teplo přispívající spalováním je tedy 1,78 gramů x 850 Joulů / gram = 1513 Joulů. To způsobí nárůst teploty, ze kterého lze vypočítat
Tb lze vypočítat ze stavové rovnice vedoucí k 718 K, takže pro naše data je výsledná hodnota Tc 1902 K.
Tlak v bodě C je dán stavovou rovnicí aplikovanou na tento bod, což vede k 4868,6 kPa.
Čistá práce za cyklus se pak ukáže být 838,5 Joulů.
Určete účinnost nebo výkon motoru z cvičení 1. Za předpokladu, že motor pracuje při 3000 ot / min, určete výkon.
Dělení čisté práce dodaným teplem poskytuje účinnost 55,4%. Tento výsledek se shoduje s výsledkem získaným přímým použitím vzorce pro účinnost jako funkce kompresního poměru.
Síla je práce vykonaná za jednotku času. 3000 otáček za minutu odpovídá 50 otáčkám za sekundu. Ale Otto cyklus je dokončen pro každé dvě otáčky motoru, protože se jedná o čtyřtaktní motor, jak jsme vysvětlili dříve..
To znamená, že za jednu sekundu se Ottův cyklus opakuje 25krát, takže práce je 25 x 838,5 J za jednu sekundu..
To odpovídá 20,9 kilowattům výkonu, což odpovídá 28 koňským silám.
Zatím žádné komentáře