Fazy ​​OTTO, wydajność, aplikacje, rozwiązywane ćwiczenia

On Cykl Otto Jest to cykl termodynamiczny, który składa się z dwóch procesów izokorycznych i dwóch procesów adiabatycznych. Ten cykl występuje na ściśliwym płynie termodynamicznym. Został stworzony przez niemieckiego inżyniera Nikolausa Otto pod koniec XIX wieku, który udoskonalił wewnętrzny silnik spalinowy, poprzednik, z którego nosi nowoczesne samochody. Później jego syn Gustav Otto znalazł słynną firmę BMW.

Cykl OTTO dotyczy silników spalania wewnętrznego, które działają z mieszaniną powietrza i lotnego paliwa, takiego jak benzyna, gaz lub alkohol, i którego spalanie zaczyna się od iskierki elektrycznej.

Rysunek 1. Samochody w konkursie NASCAR. Źródło: Pixabay.

[TOC]

Fazy ​​cyklu OTTO

Kroki cyklu Otto to:

1. Kompresja adiabatyczna (bez wymiany ciepła ze środowiskiem).
2. Absorpcja energii kalorii w formie izokorycznej (bez zmiany objętości).
3. Rozszerzenie adiabatyczne (bez wymiany ciepła ze środowiskiem).
4. Wydalenie energii kalorii w formie izokorycznej (bez zmiany objętości).

Rysunek 2, który pokazano poniżej, pokazuje na schemacie P -V (ciśnienie - objętość) Różne fazy cyklu OTTO.

Rysunek 2. Schemat P-V cyklu Otto. Źródło: Self Made.

Aplikacja

Cykl OTTO dotyczy w równym stopniu do czterech silników spalania wewnętrznego i dwusuwowego.

-Silnik 4 -ostre

Ten silnik składa się z jednego lub więcej tłoków w cylindrze, każdy z jednym (lub dwóch) zaworami wlotowymi i jednym (lub dwóch) zaworów wydechowych.

Jest tak zwany, ponieważ jego działanie ma tylko cztery dobrze znane etapy lub etapy:

1. Wstęp.
2. Kompresja.
3. Wybuch.
4. Ucieczka.

Te etapy lub czasy występują przez dwa zakręty wału korbowego, ponieważ tłok obniża się i podnosi w czasach 1 i 2, i znowu spada i unosi się w czasach 3 i 4.

Następnie opisujemy, co dzieje się na tych etapach.

Krok 1

Zejście tłokowe z najwyższego punktu z otwartymi zaworami wlotowymi i zamkniętym spalin.

Wstęp występuje podczas przepustki OA. Na tym etapie wprowadzono mieszaninę paliwową powietrza, która jest ściśliwym płynem, na którym stadia AB, BC, CD i DA zostanie zastosowana.

Krok 2

Nieco przed tłokiem osiągnie najniższy punkt, które oba zawory zamykają. Następnie zaczyna się wspinać, aby kompresować mieszankę paliwa powietrznego. Ten proces kompresji występuje tak szybko, że praktycznie nie daje ciepła środowisku. W cyklu OTTO odpowiada procesie adiabatycznego AB.

Może ci służyć: Neptune (planeta)

Krok 3

W najwyższym punkcie tłoka, ze sprężoną mieszaniną i zamkniętymi zaworami, występuje wybuchowe spalanie mieszaniny rozpoczęte. Ta eksplozja jest tak szybka, że ​​tłok ledwo zstąpił.

W cyklu OTTO odpowiada procesowi izokorycznemu BC, w którym ciepło jest wstrzykiwane bez znacznej zmiany objętości, w konsekwencji zwiększając ciśnienie mieszaniny. Ciepło zapewnia reakcję spalania chemicznego tlenu powietrza z paliwem.

Krok 4

Mieszanina pod wysokim ciśnieniem rozszerza się, że tłok schodzi, podczas gdy zawory pozostają zamknięte. Proces ten występuje tak szybko, że wymiana ciepła z zewnątrz jest nieistotna.

W tym momencie wykonywane są pozytywne prace na tłoku, który jest przesyłany przez pręt łączący z wałem korbowym wytwarzającym siłę motoryczną. W cyklu OTTO odpowiada CD procesu adiabatycznego.

Krok 5

Podczas najniższej części trasy ciepło jest wydalane przez cylinder do czynnika chłodniczego, bez zmiany objętości. W cyklu OTTO odpowiada procesowi izokoryczne.

Krok 6

W ostatniej części trasy tłokowej mieszanina spalona przez zawór wydechowy, który pozostaje otwarty. Ucieczka spalonych gazów występuje podczas etapu AO na schemacie cyklu OTTO.

Cały proces powtarza się przy wejściu przez zawór wstępny nowej mieszanki paliw powietrza.

Rysunek 3. Silnik czterosuwowy. Źródło: Pixabay

Praca netto wykonana w cyklu Otto

Cykl OTTO działa jako silnik termiczny i jest podróżowany w harmonogramie.

Worka W, która wykonuje gaz, który rozszerza ściany, które go zawierają, jest obliczane przez następującą formułę:

Gdzie VI jest początkowym woluminem i VF końcowym tomem.

W cyklu termodynamicznym praca netto odpowiada obszarowi zablokowanemu w cyklu schematu P - V.

W przypadku cyklu OTTO odpowiada pracom mechanicznym wykonanym od A do B plus prace mechaniczne wykonane od C do D. Między B i C wykonana praca jest nieważna, ponieważ nie ma zmiany objętości. Podobne między D a pracą jest nieważne.

Praca wykonana od A do B

Załóżmy, że zaczynamy od punktu A, w którym znana jest jego objętość, jego ciśnienie i temperatura ta.

Może ci służyć: indukcja magnetyczna: wzory, jak jest obliczane i przykłady

Od punktu A do punktu B wykonuje się kompresję adiabatyczną. W quasstatycznych warunkach procesy adiabatyczne są zgodne z prawem Poissona, które stwierdza:

Gdzie γ jest ilorazem adiabatycznym zdefiniowanym jako stosunek między ciepłem właściwym przy stałym ciśnieniu między ciepłem właściwym przy stałej objętości.

Tak, aby praca wykonana od A do B byłaby obliczona przez związek:

Po przyjęciu całki i zastosowaniu związku Poissona do procesu adiabatycznego masz:

Gdzie R Jest to związek kompresyjny R = VA/VB.

Praca wykonana od C do D

Podobnie prace wykonane od C do D zostałyby obliczone przez całkę:

Którego rezultat jest

Istnienie R = vd/vc = va/vb Związek kompresyjny.

Praca netto będzie sumą dwóch prac:

Ciepło netto w cyklu Otto

W procesach A B i od C do D ciepło nie jest wymieniane, ponieważ są to procesy adiabatyczne.

W przypadku procesu B A C praca nie jest wykonywana, a ciepło przypisane przez spalanie zwiększa energię wewnętrzną gazu, a zatem jego temperaturę TB do TC.

Podobnie, w procesie D A jest przypisanie ciepła, które jest również obliczane jako:

Ciepło netto będzie:

Wydajność

Wydajność lub wydajność cyklicznego silnika jest obliczana poprzez znalezienie stosunku między wykonaną pracą netto a ciepłem dostarczonym do systemu dla każdego cyklu roboczego.

Jeśli powyższe wyniki zostaną zastąpione w poprzednim wyrażeniu, a założenie zakłada się również, że mieszanina powietrza paliwowego zachowuje się jak gaz idealny, wówczas osiągana jest wydajność teoretyczna cyklu, co zależy tylko od współczynnika kompresji:

Ćwiczenia cyklu Otto

-Ćwiczenie 1

Czterokrotny cylindrowany silnik benzynowy i współczynnik kompresji 7,5 pracuje w środowisku ciśnienia atmosferycznego 100 kPa i 20 stopni Celsjusza. Określić pracę netto wykonaną według cyklu. Załóżmy, że spalanie zapewnia 850 dżuli dla każdego grama mieszanki powietrza - paliwo.

Rozwiązanie

Wyrażenie pracy netto zostało wcześniej obliczone:

Musimy określić objętość i ciśnienie w punktach B i C cyklu, aby określić wykonaną pracę netto.

Objętość w punkcie, w którym została wypełniona cylindrem mieszaniną powietrza - benzyny to przemieszczenie 1500 cm3. W punkcie B objętość to VB = VA / R = 200 cm3.

Objętość w punkcie C wynosi również 200 cm3.

Obliczanie ciśnienia w A, B i C

Punkt ciśnienie to ciśnienie atmosferyczne. Ciśnienie w punkcie B można obliczyć za pomocą związku Poissona dla procesu adiabatycznego:

Może ci służyć: jaka jest energia elektryczna? (Z eksperymentem)

Biorąc pod uwagę, że mieszanina jest głównie powietrza, którą można traktować jako idealny gaz dwuatomiczny, współczynnik adiabatyczny gamma ma wartość 1,4. Wtedy ciśnienie w punkcie B wyniesie 1837,9 kPa.

Objętość punktu C jest taka sama jak objętość punktu B, czyli 200 cm3.

Ciśnienie w punkcie C jest większe niż w punkcie B z powodu wzrostu temperatury spowodowanej spalaniem. Aby to obliczyć, musimy wiedzieć, ile ciepła przyczyniło się spalanie.

Ciepło dostarczone przez spalanie jest proporcjonalne do ilości mieszaniny, która spala.

Korzystanie z równania statusu gazu idealnego:

Gdzie Rm Jest to stała powietrza, której wartość wynosi 286,9 j / (kg k), a m to masa mieszanki pobierana w procesie przyjęcia. Oczyszczając masę M równania stanu i zastępowanie ciśnienia, wartości temperatury i objętości w punkcie A jest uzyskiwane 1,78 gramów mieszaniny.

Następnie ciepło wniesione przez spalanie wynosi 1,78 gramów x 850 dżuli/gram = 1513 dżuli. Powoduje to wzrost temperatury, który można obliczyć z

TB można obliczyć na podstawie równania stanu, co powoduje 718 K, a następnie dla naszych danych wartość wynikająca z TC wynosi 1902 K.

Ciśnienie w punkcie C jest podane przez równanie stanu zastosowane do tego punktu, co skutkuje 4868,6 kPa.

Praca netto na cykl okazuje się 838,5 dżuli.

-Ćwiczenie 2

Określ wydajność lub wydajność silnika ćwiczeń 1. Zakładając, że silnik działa na poziomie 3000 r.P.m określa moc.

Rozwiązanie

Uzyskana jest dzielenie pracy netto między ciepłem dostarczonym 55,4%. Wynik ten pokrywa się z wynikem uzyskanym przez bezpośrednie zastosowanie wzoru wydajności w oparciu o współczynnik kompresji.

Moc jest pracą wykonaną na jednostkę czasu. 3000 r.P.M. równoważne 50 okrążeń na sekundę. Ale cykl OTTO jest wypełniony na każde dwa zakręty silnika, ponieważ jest czterokrotnie, jak wyjaśniliśmy powyżej.

Oznacza to, że za sekundę cykl Otto powtarza się 25 razy, więc wykonana praca wynosiła 25 x 838,5 dżuli w ciągu sekundy.

Odpowiada to 20,9 kilowatom mocy odpowiadające 28 koni parowym.

Bibliografia

1. Cykle termodynamiczne. Odzyskane z: fis.Puc.Cl
2. Martín, t. I serrano, żeby. Cykl Otto. Odzyskane z: 2.Montes.UPM.Jest.
3. Uniwersytet Sevilla. Wiki Departamentu Cykl przypadku fizyki stosowanej cyklu Otto. Odzyskany z: Laplace.nas.Jest.
4. Wikipedia. Cykl Otto. Odzyskane z: jest.Wikipedia.com
5. Wikipedia. Silnik Otto. Odzyskane z: jest.Wikipedia.com