CIKEL OTTO: FAZE, IZVEDBA, APLIKACIJE, REŠENE VAJE - FIZIČNO - 2026

Otto cikel je termodinamični proces, ki je sestavljen iz dveh izohorne procesov in dva adiabatne procesov. Ta cikel se pojavi na stisljivi termodinamični tekočini. Ustvaril ga je nemški inženir Nikolaus Otto v poznem 19. stoletju, ki je izpopolnil motor z notranjim zgorevanjem, predhodnik tistega, ki ga najdemo v sodobnih avtomobilih. Pozneje je njegov sin Gustav Otto ustanovil znano podjetje BMW.

Cikel Otto se uporablja za motorje z notranjim zgorevanjem, ki delujejo z mešanico zraka in hlapnih goriv, ​​kot so bencin, plin ali alkohol in katerih zgorevanje se začne z električno iskro.

Slika 1. Avtomobili v konkurenci Nascar. Vir: Pixabay.

Faze ciklusa Otta

Koraki ciklusa Otto so:

1. Adiabatska kompresija (brez izmenjave toplote z okoljem).
2. Absorpcija toplotne energije v izohorni obliki (brez spreminjanja glasnosti).
3. Adiabatna ekspanzija (brez izmenjave toplote z okoljem).
4. Izgon toplotne energije v izohorski obliki (brez spreminjanja glasnosti).

Slika 2, prikazana spodaj, prikazuje različne faze cikla Otto v diagramu PV (tlak-volumen).

Slika 2. PV diagram cikla Otto. Vir: self made.

Uporaba

Cikel Otto velja enako za štiritaktne in dvotaktne motorje z notranjim zgorevanjem.

-4-taktni motor

Ta motor je sestavljen iz enega ali več bata v cilindru, od katerih ima vsak (ali dva) sesalna ventila in en (ali dva) izpušni ventili.

Tako se imenuje, ker ima njegovo delovanje natančno štirikrat ali dobro označene stopnje, ki so:

1. Vstopnina.
2. Stiskanje.
3. Eksplozija.
4. Pobeg.

Te stopnje ali časi se zgodijo med dvema zasukoma ročične gredi, ker se bat v časih 1 in 2 spusti in navzgor ter se v 3. in 4. spet spusti in navzgor.

Spodaj podrobno opisujemo, kaj se dogaja v teh fazah.

Korak 1

Spuščanje bata z najvišje točke z odprtimi sesalnimi ventili in izpušnimi ventili zaprto, tako da se mešanica zrak-gorivo vleče v bat med njegovim spuščanjem.

Vnos se zgodi med korakom OA diagrama cikla Otto pri atmosferskem tlaku PA. V tej fazi je bila vgrajena mešanica zrak-gorivo, ki je stisljiva tekočina, na katero se nanašajo stopnje AB, BC, CD in DA ciklusa Otto.

2. korak

Tik preden bata doseže najnižjo točko, se oba ventila zapreta. Nato se začne dvigati tako, da stisne mešanico zrak-gorivo. Ta postopek stiskanja poteka tako hitro, da okolju praktično ne daje toplote. V ciklu Otto ustreza adiabatnemu procesu AB.

3. korak

Na najvišji točki bata, s stisnjeno mešanico in zaprtimi ventili, pride do eksplozivnega zgorevanja zmesi, ki jo sproži iskra. Ta eksplozija je tako hitra, da se je bat komaj spustil.

V ciklusu Otto ustreza izohorskemu procesu BC, kjer se vbrizga toplota brez občutnih sprememb prostornine, kar posledično poveča tlak mešanice. Toplota se zagotavlja s kemijsko reakcijo izgorevanja kisika v zraku s gorivom.

4. korak

Visokotlačna zmes se razširi, zaradi česar se bat spušča, medtem ko ventili ostanejo zaprti. Ta proces poteka tako hitro, da je izmenjava toplote z zunanjostjo zanemarljiva.

Na tem mestu je pozitivno delo na batu, ki ga s povezovalnim drogom prenaša na ročično gred, ki proizvaja gibno silo. V ciklu Otto ustreza CD-ju adiabatskega procesa.

5. korak

Med spodnjim delom poteza se toplota skozi jeklenko odvaja v hladilno sredstvo, ne da bi se prostor bistveno spremenil. V Ottovem ciklu ustreza izohorskemu procesu DA.

6. korak

V zadnjem delu poteze bata sežgano mešanico izpuhne ventil, ki ostane odprt, medtem ko je sesalni ventil zaprt. Potek zgorelih plinov se zgodi med korakom AO v ciklu Otto.

Celoten postopek se ponovi z vstopom nove mešanice zrak-gorivo skozi sesalni ventil.

Slika 3. Štiritaktni motor. Vir: pixabay

Neto delo, opravljeno v ciklu Otto

Cikel Otto deluje kot toplotni motor in se poganja v smeri urinega kazalca.

Delo W, ki ga opravi plin, ki širi stene, ki jih vsebujejo, se izračuna po naslednji formuli:

Kjer je Vi začetni volumen in Vf končni volumen.

V termodinamičnem ciklu mrežno delo ustreza površini, zaprti v ciklu diagrama P - V.

V primeru ciklusa Otto ustreza mehanskemu delu, opravljenemu od A do B, in mehanskemu delu, opravljenemu od C do D. Med B in C je opravljeno delo nič, ker ni spremembe količine. Podobno med D in A je delo nično.

Delo, opravljeno od A do B

Recimo, da začnemo s točko A, kjer so znani njen volumen Va, tlak Pa in njegova temperatura Ta.

Od točke A do točke B se izvede adiabatna kompresija. V kvazistatičnih pogojih se adiabatski procesi skladajo s Poissonovim zakonom, ki pravi, da:

Kjer je γ adiabatski količnik, je opredeljen kot količnik med specifično toploto pri konstantnem tlaku in specifično toploto pri konstantni prostornini.

Torej bi bilo delo, opravljeno od A do B, izračunano glede na razmerje:

Ko vzamemo integral in uporabimo Poissonovo razmerje za adiabatski proces, imamo:

Kjer je r stiskalno razmerje r = Va / Vb.

Delo, opravljeno od C do D

Podobno bi bilo delo, opravljeno od C do D, izračunano s integralom:

Čigav rezultat je

Kjer je r = Vd / Vc = Va / Vb, je kompresijsko razmerje.

Neto delo bo vsota dveh delovnih mest:

Neto toplota v Ottovem ciklu

V procesih od A do B in od C do D se toplota ne izmenjuje, ker gre za adiabatske procese.

Pri procesu od B do C se ne dela in toplota, ki jo daje zgorevanje, poveča notranjo energijo plina in s tem njegovo temperaturo od Tb do Tc.

Podobno je v procesu od D do A prihaja do prenosa toplote, ki se izračuna tudi kot:

Neto toplota bo:

izvedba

Učinkovitost ali učinkovitost cikličnega motorja se izračuna tako, da se najde količnik med opravljeno mrežo in toploto, ki jo sistem dovaja za vsak cikel delovanja.

Če se prejšnji rezultati nadomestijo s prejšnjim izrazom in se domneva, da se mešanica goriva in zraka ponaša kot idealen plin, potem je dosežena teoretična učinkovitost cikla, ki je odvisna le od razmerja stiskanja:

Otto cikel rešuje vaje

-Vežba 1

Štiritaktni bencinski motor s 1500 ccm s kompresijskim razmerjem 7,5 deluje v okolju z atmosferskim tlakom 100 kPa in 20 stopinj Celzija. Določite neto opravljeno delo na cikel. Predpostavimo, da zgorevanje prispeva 850 Joulov za vsak gram mešanice zraka in goriva.

Rešitev

Neto delovni izraz je bil predhodno izračunan:

Za določitev neto opravljenega dela moramo določiti prostornino in tlak v točkah B in C cikla.

Prostornina v točki A, kjer je bil valj napolnjen z mešanico zrak-bencin, je prostornina 1500 ccm. V točki B je prostornina Vb = Va / r = 200 ccm.

Prostornina v točki C je tudi 200 ccm.

Izračun tlaka pri A, B in C

Tlak v točki A je atmosferski tlak. Tlak v točki B lahko izračunamo z uporabo Poissonovega razmerja za adiabatski postopek:

Ob upoštevanju, da je mešanica pretežno zrak, ki ga je mogoče obravnavati kot diatomski idealen plin, ima gama adiabatski koeficient vrednost 1,4. Potem bo tlak v točki B znašal 1837,9 kPa.

Prostornina točke C je enaka volumnu točke B, to je 200 ccm.

Tlak v točki C je zaradi zvišanja temperature zaradi zgorevanja višji kot na točki B. Da bi ga izračunali, moramo vedeti, koliko toplote je prispevalo zgorevanje.

Toplota, ki jo prispeva zgorevanje, je sorazmerna s količino zgorele mešanice.

Uporaba enačbe stanja plina:

Torej toplota, ki jo prispeva zgorevanje, znaša 1,78 grama x 850 Joules / gram = 1513 Joules. To povzroči zvišanje temperature, iz katerega je mogoče izračunati

Tb lahko izračunamo iz enačbe stanja, ki ima za posledico 718 K, tako da za naše podatke dobljena vrednost Tc znaša 1902 K.

Tlak v točki C je izražen z enačbo stanja, uporabljeno na tej točki, kar ima za posledico 4868,6 kPa.

Delo na cikel je torej 838,5 Joules.

-Vežba 2

Iz vaje določite učinkovitost ali zmogljivost motorja 1. Če predpostavite, da motor deluje pri 3000 vrtljajih, določite moč.

Rešitev

Razdelitev neto dela na dobavljeno toploto daje 55,4% izkoristek. Ta rezultat sovpada s tistim, ki ga dobimo z neposredno uporabo formule za učinkovitost kot funkcijo kompresijskega razmerja.

Moč je delo, opravljeno na enoto časa. 3000 vrtljajev v minuti je 50 vrtljajev na sekundo. Toda ciklus Otto je končan za vsaka dva vrtljaja motorja, saj gre za štiritaktni motor, kot smo že pojasnili.

To pomeni, da se v eni sekundi ciklus Otta ponovi 25-krat, tako da je opravljeno delo 25 x 838,5 Joules v eni sekundi.

To ustreza 20,9 kilovatov moči, kar ustreza 28 konjskim silam.

Reference

1. Termodinamični cikli. Pridobljeno: fis.puc.cl
2. Martín, T. in Serrano, cikel A. Otto. Obnovljeno od: 2.montes.upm.es.
3. Univerza v Sevilli. Wiki oddelka za uporabno fiziko Otto iz cikla študije primera. Pridobljeno: laplace.us.es.
4. Wikipedija. Cikel Otto. Pridobljeno: es.wikipedia.com
5. Wikipedija. Motor Otto. Pridobljeno: es.wikipedia.com