Cykl Otto - Otto cycle

Wykres ciśnienie-objętość
Wykres temperatura-entropia
Wyidealizowane wykresy czterosuwowego cyklu Otto Oba wykresy : suw  ssania ( A jest wykonywany przez izobaryczną ekspansję, po której następuje adiabatyczny suw  sprężania ( B . Poprzez spalanie paliwa ciepło jest dodawane w procesie o stałej objętości ( proces izochoryczny ), po którym następuje skok  mocy procesu adiabatycznego rozprężania ( C . Cykl zamyka suw  wydechowy ( D , charakteryzujący się izochorycznymi procesami chłodzenia i izobarycznego sprężania.

Iskrowym jest wyidealizowany sprężające , które opisuje działanie typowego zapłonem iskrowym silnika tłokowego . Jest to cykl termodynamiczny najczęściej spotykany w silnikach samochodowych.

Cykl Otto to opis tego, co dzieje się z masą gazu, gdy podlega ona zmianom ciśnienia, temperatury, objętości, dodawaniu ciepła i usuwaniu ciepła. Masę gazu poddaną tym zmianom nazywamy układem. W tym przypadku system definiuje się jako płyn (gaz) w butli. Opisując zmiany zachodzące w systemie, opisze również w odwrotny sposób wpływ systemu na środowisko. W przypadku cyklu Otto, efektem będzie wytworzenie wystarczającej ilości sieci z systemu, aby napędzać samochód i jego pasażerów w środowisku.

Cykl Otto składa się z:

Góra i dół pętli: para procesów quasi-równoległych i izentropowych (beztarciowe, odwracalne adiabatyczne ).
Lewa i prawa strona pętli: para równoległych procesów izochorycznych (stała objętość).

Izentropowy proces sprężania lub rozprężania oznacza, że ​​nie będzie nieefektywności (utraty energii mechanicznej) i nie będzie przenoszenia ciepła do lub z systemu podczas tego procesu. Zakłada się, że w tym czasie cylinder i tłok nie przepuszczają ciepła. Prace prowadzone są na układzie podczas procesu kompresji dolnego izentropowego. Ciepło wpływa do obiegu Otto przez lewy proces rozprężania, a część z niego wypływa z powrotem przez prawy proces rozprężania. Suma pracy dodanej do systemu plus ciepło dodane minus ciepło usunięte daje pracę mechaniczną netto generowaną przez system.

Procesy

Procesy są opisane przez:

  • Proces 0–1 masa powietrza jest wciągana do układu tłok/cylinder pod stałym ciśnieniem.
  • Proces 1–2 to adiabatyczne (izentropowe) sprężanie ładunku podczas ruchu tłoka od dolnego martwego punktu ( BDC ) do górnego martwego punktu ( TDC ).
  • Proces 2–3 polega na przekazywaniu ciepła w stałej objętości do gazu roboczego z zewnętrznego źródła, podczas gdy tłok znajduje się w górnym martwym punkcie. Proces ten ma na celu przedstawienie zapłonu mieszanki paliwowo-powietrznej i następującego po niej szybkiego spalania.
  • Proces 3-4 to adiabatyczna (izentropowa) ekspansja (udar siłowy).
  • Proces 4–1 kończy cykl procesem o stałej objętości, w którym ciepło jest usuwane z powietrza, podczas gdy tłok znajduje się w dolnym martwym punkcie.
  • Proces 1–0 masa powietrza jest uwalniana do atmosfery w procesie o stałym ciśnieniu.

Cykl Otto składa się ze sprężania izentropowego, dodawania ciepła przy stałej objętości, rozszerzania izentropowego i oddawania ciepła przy stałej objętości. W przypadku czterosuwowego cyklu Otto technicznie istnieją dwa dodatkowe procesy: jeden do odprowadzania ciepła odpadowego i produktów spalania pod stałym ciśnieniem (izobaryczny) oraz jeden do pobierania chłodnego powietrza bogatego w tlen również pod stałym ciśnieniem ; jednak są one często pomijane w uproszczonej analizie. Chociaż te dwa procesy są krytyczne dla funkcjonowania prawdziwego silnika, w którym istotne są szczegóły dotyczące wymiany ciepła i chemii spalania, dla uproszczonej analizy cyklu termodynamicznego wygodniej jest założyć, że całe ciepło odpadowe jest usunięte podczas pojedynczej zmiany głośności.

Historia

Silnik czterosuwowy został po raz pierwszy opatentowany przez Alphonse'a Beau de Rochas w 1861 roku. Wcześniej, w latach 1854-57, dwóch Włochów ( Eugeniusz Barsanti i Felice Matteucci ) wynalazło silnik, który podobno był bardzo podobny, ale patent został utracony.

Pierwszą osobą, która zbudowała działający czterosuwowy silnik stacjonarny wykorzystujący mieszankę węglowo-powietrzną jako paliwo ( silnik gazowy ), był niemiecki inżynier Nicolaus Otto . Właśnie dlatego zasada czterosuwu jest dziś powszechnie znana jako cykl Otto, a silniki czterosuwowe wykorzystujące świece zapłonowe są często nazywane silnikami Otto.

Procesy

System jest zdefiniowany jako masa powietrza, które jest zasysane z atmosfery do cylindra, sprężone przez tłok, ogrzane przez zapłon iskrowy dodawanego paliwa, które pozwala się rozprężać podczas naciskania na tłok, a na koniec jest wydmuchiwane z powrotem do atmosfera. Masę powietrza śledzi się jako zmianę jego objętości, ciśnienia i temperatury podczas różnych etapów termodynamicznych. Ponieważ tłok może poruszać się wzdłuż cylindra, objętość powietrza zmienia się wraz z jego położeniem w cylindrze. Procesy sprężania i rozprężania indukowane w gazie przez ruch tłoka są idealizowane jako odwracalne, tj. żadna użyteczna praca nie jest tracona w wyniku turbulencji lub tarcia i żadne ciepło nie jest przenoszone do lub z gazu podczas tych dwóch procesów. Energia jest dodawana do powietrza poprzez spalanie paliwa. Przydatna praca jest wydobywana przez rozprężanie gazu w butli. Po zakończeniu rozprężania w butli, pozostałe ciepło jest odprowadzane, a na koniec gaz jest wypuszczany do otoczenia. Podczas procesu rozprężania wytwarzana jest użyteczna praca mechaniczna, a część z nich służy do sprężania masy powietrza następnego cyklu. Użyteczna praca mechaniczna wytworzona minus, która jest wykorzystywana do procesu sprężania, to uzyskana praca netto, którą można wykorzystać do napędu lub do napędzania innych maszyn. Alternatywnie uzyskana użyteczna praca jest różnicą między ciepłem dodanym a ciepłem usuniętym.

Cykl Otto

Proces wlotowy 0–1 (Blue Shade)

Masa powietrza (płynu roboczego) jest wciągana do cylindra od 0 do 1 pod ciśnieniem atmosferycznym (ciśnienie stałe) przez otwarty zawór wlotowy, podczas gdy zawór wydechowy jest podczas tego procesu zamknięty. Zawór wlotowy zamyka się w punkcie 1.

Proces 1–2 suw sprężania ( B na wykresach)

Tłok przesuwa się od końca korby (BDC, dolny martwy punkt i maksymalna objętość) do końca głowicy cylindra ( GMP , górny martwy punkt i minimalna objętość), gdy gaz roboczy ze stanem początkowym 1 jest sprężany izentropowo do stanu punktu 2, poprzez stopień sprężania ( V 1 / V 2 ) . Mechanicznie jest to izentropowe sprężanie mieszanki paliwowo-powietrznej w cylindrze, znane również jako suw sprężania. Ten proces izentropowy zakłada, że ​​żadna energia mechaniczna nie jest tracona na skutek tarcia i żadne ciepło nie jest przenoszone do lub z gazu, stąd proces jest odwracalny. Proces sprężania wymaga dodania pracy mechanicznej do gazu roboczego. Ogólnie rzecz biorąc, stopień sprężania wynosi około 9-10: 1 ( V 1 : V, 2 ) dla typowego silnika.

Proces 2–3 faza zapłonu ( C na wykresach)

Tłok jest chwilowo w stanie spoczynku w GMP . W tej chwili, znanej jako faza zapłonu, mieszanka paliwowo-powietrzna pozostaje w niewielkiej objętości w górnej części suwu sprężania. Ciepło jest dodawane do płynu roboczego przez spalanie wtryskiwanego paliwa, przy czym objętość jest zasadniczo utrzymywana na stałym poziomie. Ciśnienie wzrasta, a stosunek ten nazywa się „współczynnikiem wybuchu”.

Proces 3–4 skok rozprężania ( D na wykresach)

Zwiększone wysokie ciśnienie wywiera siłę na tłok i popycha go w kierunku BDC . Rozprężanie płynu roboczego odbywa się izentropowo, a pracę wykonuje układ na tłoku. Stosunek objętości nazywany jest „współczynnikiem rozszerzalności izentropowej”. (Dla cyklu Otto jest taki sam jak stopień sprężania ). Mechanicznie jest to rozprężanie gorącej mieszaniny gazowej w cylindrze, znane jako skok rozprężania (moc).

Proces 4–1 wyidealizowane odprowadzanie ciepła ( A na wykresach)

Tłok jest chwilowo w stanie spoczynku w BDC . Ciśnienie gazu roboczego spada natychmiast z punktu 4 do punktu 1 podczas procesu o stałej objętości, gdy ciepło jest odprowadzane do wyidealizowanego zewnętrznego zlewu, który styka się z głowicą cylindra. W nowoczesnych silnikach spalinowych radiatorem może być otaczające powietrze (w przypadku silników o małej mocy) lub krążący płyn, taki jak płyn chłodzący. Gaz powrócił do stanu 1.

Proces suw wydechowy 1–0

Zawór wydechowy otwiera się w punkcie 1. Gdy tłok przesuwa się z „BDC” (punkt 1) do „TDC” (punkt 0) przy otwartym zaworze wydechowym, mieszanina gazowa jest odprowadzana do atmosfery i proces rozpoczyna się od nowa.

Analiza cyklu

W procesie 1–2 tłok działa na gaz, a w procesie 3–4 gaz działa na tłok podczas tych procesów izentropowego sprężania i rozprężania. Procesy 2–3 i 4–1 są procesami izochorycznymi; ciepło jest przekazywane do systemu z 2–3 i z systemu z 4–1, ale podczas tych procesów w systemie nie jest wykonywana żadna praca ani nie jest pobierana z systemu. Żadna praca nie jest wykonywana podczas procesu izochorycznego (stała objętość), ponieważ dodanie lub usunięcie pracy z systemu wymaga przesunięcia granic systemu; w związku z tym, ponieważ objętość cylindra nie zmienia się, żadna praca na wale nie jest dodawana ani usuwana z systemu.

Do opisu tych czterech procesów stosuje się cztery różne równania. Uproszczenie polega na założeniu, że zmiany energii kinetycznej i potencjalnej zachodzące w układzie (masa gazu) mogą być pominięte, a następnie zastosowanie pierwszej zasady termodynamiki (zachowania energii) do masy gazu, gdy zmienia on stan scharakteryzowany przez temperaturę, ciśnienie i objętość gazu.

Podczas pełnego cyklu gaz powraca do pierwotnego stanu temperatury, ciśnienia i objętości, stąd zmiana netto energii wewnętrznej układu (gazu) wynosi zero. W rezultacie energia (ciepło lub praca) dodana do systemu musi być kompensowana energią (ciepło lub praca), która opuszcza system. W analizie układów termodynamicznych konwencja polega na uznaniu energii, która wchodzi do układu za dodatnią, a energii, która opuszcza układ, za ujemną.

Równanie 1a.

Podczas pełnego cyklu zmiana netto energii systemu wynosi zero:

Z powyższego wynika, że ​​układ (masa gazu) powraca do pierwotnego stanu termodynamicznego, w którym był na początku cyklu.

Gdzie jest energia dodana do systemu z 1–2–3, a energia usunięta z systemu z 3–4–1. Pod względem pracy i ciepła dodawanego do systemu

Równanie 1b:

Każdy człon równania można wyrazić w postaci energii wewnętrznej gazu w każdym punkcie procesu:

Bilans energetyczny Równanie 1b staje się

Aby zilustrować przykład, wybieramy kilka wartości do punktów na ilustracji:

Wartości te są dobierane arbitralnie, ale racjonalnie. Następnie można obliczyć warunki pracy i ciepła.

Energia dodana do układu jako praca podczas sprężania od 1 do 2 wynosi

Energia dodana do systemu jako ciepło z punktu 2 do 3 wynosi

Energia pobrana z systemu podczas pracy podczas rozbudowy z 3 do 4 wynosi

Energia usunięta z systemu jako ciepło z punktu 4 do 1 wynosi

Bilans energetyczny wynosi

Należy zauważyć, że energia dodana do systemu jest liczona jako dodatnia, a energia opuszczająca system jest liczona jako ujemna, a suma wynosi zero zgodnie z oczekiwaniami dla pełnego cyklu, który przywraca system do pierwotnego stanu.

Z bilansu energetycznego praca systemu to:

Energia netto z systemu jako praca wynosi -1, co oznacza, że ​​system wyprodukował jedną jednostkę energii netto, która opuszcza system w postaci pracy.

Ciepło netto z systemu to:

Tak jak energia dodana do systemu, tak jak ciepło jest dodatnie. Z powyższego wynika, że ​​system zyskał jedną jednostkę ciepła. Dopasowuje to energię wytwarzaną przez system jako pracę poza systemem.

Sprawność cieplna to iloraz energii netto z systemu do ciepła dodawanego do systemu. Równanie 2:

Alternatywnie, sprawność cieplną można uzyskać poprzez ścisłe dodawanie ciepła i odprowadzanie ciepła.

Dostarczanie fikcyjnych wartości

W cyklu Otto nie ma wymiany ciepła podczas procesów 1–2 i 3–4, ponieważ są to procesy izentropowe. Ciepło jest dostarczane tylko podczas procesów o stałej objętości 2–3, a ciepło jest odprowadzane tylko podczas procesów o stałej objętości 4–1.

Powyższe wartości są wartościami bezwzględnymi, które mogą mieć np. jednostki dżuli (przy założeniu, że używany jest układ jednostek MKS) i byłyby przydatne dla konkretnego silnika o określonych wymiarach. W badaniu układów termodynamicznych rozległe wielkości, takie jak energia, objętość lub entropia (w przeciwieństwie do intensywnych ilości temperatury i ciśnienia) są umieszczane na podstawie jednostki masy, podobnie jak obliczenia, czyniąc je bardziej ogólnymi, a zatem bardziej ogólnymi. posługiwać się. W związku z tym każdy wyraz obejmujący dużą ilość może być podzielony przez masę, dając wyrażeniom jednostki dżuli/kg (energia właściwa), metry 3 /kg (objętość właściwa) lub dżule/(kelwin·kg) (entropia właściwa, ciepło pojemność) itp. i będą reprezentowane małymi literami, u, v, s, itp.

Równanie 1 można teraz powiązać z równaniem ciepła właściwego dla stałej objętości. Te specyficzne biegi są szczególnie przydatne do obliczeń termodynamicznych z udziałem gazu idealnego modelu.

Przegrupowanie plonów:

Wstawienie równania ciepła właściwego do równania sprawności cieplnej (równanie 2) daje.

Po przegrupowaniu:

Następnie zanotujmy z wykresów (patrz relacje izentropowe dla gazu doskonałego ), więc oba te mogą być pominięte. Równanie sprowadza się następnie do:

Równanie 2:

Ponieważ cykl Otto wykorzystuje procesy izentropowe podczas sprężania (proces 1 do 2) i rozprężania (proces 3 do 4), równania izentropowe gazów doskonałych i stałe relacje ciśnienie/objętość mogą być wykorzystane do uzyskania równań 3 i 4.

Równanie 3:

Równanie 4:

gdzie
jest współczynnik ciepła właściwego
Wyprowadzenia poprzednich równań można znaleźć, rozwiązując odpowiednio te cztery równania (gdzie jest konkretną stałą gazową ):

Dalsze uproszczenie równania 4, gdzie jest współczynnik kompresji :

Równanie 5:

Od odwrócenia równania 4 i wstawienia go do równania 2 końcowa sprawność cieplna może być wyrażona jako:

Równanie 6:

Z analizy równania 6 widać, że sprawność cyklu Otto zależy bezpośrednio od stopnia sprężania . Ponieważ dla powietrza wynosi 1,4, wzrost w spowoduje wzrost . Jednak dla produktów spalania mieszanki paliwowo-powietrznej często przyjmuje się około 1,3. Z powyższego omówienia wynika, że ​​bardziej wydajny jest wysoki stopień kompresji. Standardowy stosunek wynosi około 10:1 dla typowych samochodów. Zwykle nie zwiększa się to zbytnio ze względu na możliwość samozapłonu, czyli „ stukania ”, co nakłada górną granicę na stopień sprężania. W trakcie procesu sprężania 1–2 temperatura wzrasta, dlatego wzrost stopnia sprężania powoduje wzrost temperatury. Samozapłon występuje, gdy temperatura mieszanki paliwowo-powietrznej staje się zbyt wysoka, zanim zostanie zapalona przez czoło płomienia. Suw sprężania ma na celu sprężenie produktów zanim płomień zapali mieszankę. Jeśli stopień sprężania zostanie zwiększony, mieszanina może ulec samozapłonowi przed zakończeniem suwu sprężania, prowadząc do „stukania silnika”. Może to uszkodzić elementy silnika i zmniejszyć moc hamulców silnika.

Moc

Moc wytwarzana w cyklu Otto to energia wytworzona na jednostkę czasu. Silniki Otto nazywane są silnikami czterosuwowymi. Skok ssania i suw sprężania wymagają jednego obrotu wału korbowego silnika. Skok mocy i suw wydechu wymagają kolejnego obrotu. Dla dwóch obrotów przypada jedna praca generująca skok.

Z powyższej analizy cyklu wynika, że ​​sieć wytworzona przez system:

(ponownie, używając konwencji znaku, znak minus oznacza, że ​​energia opuszcza system jako pracę)

Gdyby używanymi jednostkami były MKS, cykl wytworzyłby jeden dżul energii w postaci pracy. W przypadku silnika o określonej pojemności skokowej, na przykład jednego litra, masę gazu w układzie można obliczyć przy założeniu, że silnik pracuje w standardowej temperaturze (20 °C) i ciśnieniu (1 atm). Zgodnie z Universal Gas Law masa jednego litra gazu jest w temperaturze pokojowej i ciśnieniu na poziomie morza:

V =0,001 m 3 , R = 0,286 kJ/(kg·K), T =293 K, P =101,3 kN/m 2
M =0,00121 kg

Przy prędkości obrotowej silnika 3000 obr/min jest 1500 suwów roboczych na minutę lub 25 suwów roboczych na sekundę.

Moc jest 25 razy większa, ponieważ jest 25 uderzeń roboczych na sekundę

Jeśli silnik jest wielocylindrowy, wynik zostanie pomnożony przez ten współczynnik. Jeśli każdy cylinder ma inną pojemność w litrach, wyniki również zostaną pomnożone przez ten współczynnik. Wyniki te są iloczynem wartości energii wewnętrznej przyjętych dla czterech stanów układu na końcu każdego z czterech suwów (dwa obroty). Zostały wybrane jedynie dla ilustracji i mają oczywiście niską wartość. Zastąpienie rzeczywistych wartości z rzeczywistego silnika dałoby wyniki bliższe wynikom silnika. Którego wyniki byłyby wyższe niż rzeczywisty silnik, ponieważ istnieje wiele upraszczających założeń przyjętych w analizie, które pomijają nieefektywności. Takie wyniki zawyżałyby moc wyjściową.

Zwiększenie mocy i wydajności

Różnica między ciśnieniami i temperaturami spalin i dolotu oznacza, że ​​pewien wzrost wydajności można uzyskać dzięki zastosowaniu turbosprężarki, usuwając ze spalin część pozostałej energii i przekazując ją do strumienia dolotowego w celu zwiększenia ciśnienia dolotowego. Turbina gazowa może pobierać użyteczną energię roboczą ze strumienia spalin, a następnie wykorzystać ją do zwiększenia ciśnienia powietrza wlotowego. Ciśnienie i temperatura gazów wylotowych ulegałyby zmniejszeniu w miarę ich rozprężania się przez turbinę gazową, a praca ta jest następnie przykładana do strumienia gazu wlotowego, zwiększając jego ciśnienie i temperaturę. Przeniesienie energii przekłada się na poprawę sprawności, a wynikająca z tego gęstość mocy silnika również ulega poprawie. Powietrze wlotowe jest zwykle chłodzone, aby zmniejszyć jego objętość, ponieważ praca wykonywana na skok jest bezpośrednią funkcją ilości masy pobranej do cylindra; gęstsze powietrze spowoduje więcej pracy na cykl. Praktycznie rzecz biorąc, temperatura masy powietrza dolotowego również musi zostać obniżona, aby zapobiec przedwczesnemu zapłonowi w silniku benzynowym; w związku z tym intercooler służy do usuwania pewnej ilości energii w postaci ciepła, a tym samym obniżania temperatury wlotowej. Taki schemat zarówno zwiększa sprawność, jak i moc silnika.

Zastosowanie sprężarki doładowującej napędzanej wałem korbowym zwiększa moc wyjściową (gęstość mocy), ale nie zwiększa wydajności, ponieważ wykorzystuje część pracy netto wytwarzanej przez silnik do zwiększania ciśnienia wlotowego powietrza i nie jest w stanie wydobyć energii marnowanej w inny sposób związanej z przepływ spalin o wysokiej temperaturze i ciśnieniu do otoczenia.

Bibliografia