Otto -fasen, prestaties, toepassingen, opgeloste oefeningen

Hij Otto -cyclus Het is een thermodynamische cyclus die bestaat uit twee isocorische processen en twee adiabatische processen. Deze cyclus vindt plaats op een samendrukbare thermodynamische vloeistof. Het werd gecreëerd door de Duitse ingenieur Nikolaus Otto aan het einde van de 19e eeuw, die de interne verbrandingsmotor perfectioneerde, voorganger van waaruit moderne auto's dragen. Later zou zijn zoon Gustav Otto het beroemde BMW -bedrijf vinden.

De Otto -cyclus is van toepassing op interne verbrandingsmotoren die werken met een mengsel van lucht en een vluchtige brandstof zoals benzine, gas of alcohol, en wiens verbranding begint met een elektrische vonk.

Figuur 1. Auto's in een NASCAR -competitie. Bron: Pixabay.

[TOC]

Otto -cyclusfasen

De stappen van de Otto -cyclus zijn:

1. Adiabatische compressie (zonder warmte -uitwisseling met de omgeving).
2. Calorische energie -absorptie in isocorische vorm (zonder het volume te veranderen).
3. Adiabatische expansie (zonder warmte -uitwisseling met de omgeving).
4. Verdrijving van calorie -energie in een isocorische vorm (zonder het volume te veranderen).

Figuur 2, die hieronder wordt getoond, toont in een P -V -diagram (druk - volume) de verschillende fasen van de Otto -cyclus.

Figuur 2. P-V-diagram van de Otto-cyclus. Bron: zelf gemaakt.

Sollicitatie

De Otto -cyclus is evenzeer van toepassing op vier -stroke interne verbrandingsmotoren en twee -slag.

-De 4 -slagmotor

Deze motor bestaat uit een of meer zuigers in een cilinder, elk met één (of twee) inlaatkleppen en één (of twee) uitlaatkleppen.

Het wordt zo genoemd omdat de werking ervan slechts vier goed gemarkeerde fasen of fasen heeft die zijn:

1. De toelating.
2. Compressie.
3. De explosie.
4. De ontsnapping.

Deze fasen of tijden komen voor voor twee beurten van de krukas, omdat de zuiger verlaagt en stijgt in tijden 1 en 2, en weer naar beneden gaat en stijgt in Times 3 en 4.

Vervolgens beschrijven we wat er tijdens deze fasen gebeurt.

Stap 1

Zuigerafkomst vanaf het hoogste punt met open inlaatkleppen en gesloten uitlaat.

Toegang vindt plaats tijdens de OA -pas. In dit stadium is het luchtbrandstofmengsel opgenomen, wat de samendrukbare vloeistof is waarop de fasen AB, BC, CD en DA van de Otto -cyclus worden toegepast.

Stap 2

Een beetje voordat de zuiger het laagste punt bereikt, beide kleppen sluiten. Dan begint het te klimmen zodat het het luchtarmwerkmengsel comprimeert. Dit compressieproces vindt zo snel plaats dat het praktisch geen warmte geeft aan de omgeving. In de Otto -cyclus komt het overeen met het adiabatische proces AB.

Kan je van dienst zijn: Neptune (planeet)

Stap 3

Op het hoogste punt van de zuiger, met het gecomprimeerde mengsel en gesloten kleppen, vindt de explosieve verbranding van het mengsel gestart door de vonk plaats. Deze explosie is zo snel dat de zuiger nauwelijks is afgedaald.

In de Otto -cyclus komt overeen met het BC -isocorische proces waarbij warmte wordt geïnjecteerd zonder een merkbare volumeverandering, waardoor de mengseldruk wordt verhoogd. De warmte wordt geleverd door de chemische verbrandingsreactie van de luchtzuurstof met de brandstof.

Stap 4

Het hogedrukmengsel breidt uit dat de zuiger afdaalt terwijl de kleppen gesloten blijven. Dit proces komt zo snel voor dat warmte -uitwisseling met de buitenkant te verwaarlozen is.

Op dit punt wordt positief werk verricht op de zuiger, die wordt overgedragen door de verbindingsstang naar de krukas die de motorkracht produceert. In de Otto -cyclus komt overeen met het adiabatische proces -cd.

Stap 5

Tijdens het laagste deel van de route wordt warmte door de cilinder naar het koelmiddel verdreven, zonder dat het volume verandert. In de Otto -cyclus komt het overeen met het isocorische proces van.

Stap 6

In het laatste deel van de zuigerroute wordt het mengsel dat wordt verbrand door de open blijft die open blijft, terwijl de toelating is gesloten. De ontsnapping van verbrande gassen vindt plaats tijdens de AO -stap in het Otto -cyclusdiagram.

Het hele proces wordt herhaald met de ingang door de toelatingsklep van een nieuw luchtbrandstofmengsel.

figuur 3. Vier-takt motor. Bron: Pixabay

Netto werk gedaan in de Otto -cyclus

De Otto -cyclus functioneert als een thermische motor en wordt in een schema gereisd.

Het W -werk dat een gas uitvoert dat de wanden uitbreidt die het bevatten, wordt berekend door de volgende formule:

Waarbij vi het initiële volume is en vf het uiteindelijke volume.

In een thermodynamische cyclus komt het netwerk overeen met het gebied dat is vergrendeld in de P - V -diagramcyclus.

In het geval van de Otto -cyclus komt overeen met het mechanische werk dat wordt uitgevoerd van A tot B plus het mechanische werk dat van C naar D is uitgevoerd. Tussen B en C is het gedaan werk nietig omdat er geen volumeverandering is. Vergelijkbaar tussen D en werk is nietig.

Werk gedaan van A tot B

Stel dat we beginnen met punt A, waarin het volume bekend is, zijn druk PA en zijn temperatuur TA.

Het kan u van dienst zijn: magnetische inductie: formules, hoe het wordt berekend en voorbeelden

Van punt A tot punt B wordt een adiabatische compressie uitgevoerd. In eigenzinnige voorwaarden voldoen de adiabatische processen aan de wet van Poisson, die dat vaststelt:

Waarbij γ een adiabatisch quotiënt is gedefinieerd als de verhouding tussen de specifieke warmte bij constante druk tussen de specifieke warmte bij constante volume.

Zodat het werk van A naar B zou worden berekend door de relatie:

Na het nemen van de integraal en het gebruik van de relatie van Poisson voor het adiabatische proces hebben je:

Waar R Het is de compressierelatie R = VA/VB.

Werk gedaan van C naar D

Evenzo zou het werk van C tot D worden berekend door integrale:

Wiens resultaat is

Wezen R = vd/vc = va/vb De compressierelatie.

Netto -werk zal de som van de twee werken zijn:

Netto warmte in de otto -cyclus

In de processen van A A B en van C tot D wordt warmte niet uitgewisseld omdat het adiabatische processen zijn.

Voor het B A C -proces wordt werk niet gedaan en de door verbranding toegewezen warmte verhoogt de interne energie van het gas en daarom zijn tuberculose tot TC.

Evenzo is er in het proces van D A warmte -toewijzing die ook wordt berekend als:

De netto warmte zal zijn:

Prestatie

De prestaties of efficiëntie van een cyclische motor wordt berekend door de verhouding tussen het netto werk te vinden en de warmte die aan het systeem wordt geleverd voor elke bedrijfscyclus.

Als de bovenstaande resultaten worden vervangen in de vorige expressie en de veronderstelling ook wordt aangenomen dat het brandstofluchtmengsel zich als een ideaal gas gedraagt, wordt de theoretische efficiëntie van de cyclus bereikt, wat alleen afhankelijk is van de compressieverhouding:

Otto -cyclusoefeningen

-Oefening 1

Een vier -time cilinrated benzinemotor en compressieverhouding 7,5 werkt in een atmosferische drukomgeving van 100 kPa en 20 graden Celsius. Bepaal het netto werk dat wordt gedaan per cyclus. Neem aan dat verbranding 850 joules biedt voor elke gram luchtmengsel - brandstof.

Oplossing

De uitdrukking van het netto -werk was eerder berekend:

We moeten het volume en de druk bepalen op punten B en C van de cyclus om het netto werk te bepalen.

Het volume op het punt waar het in de cilinder is gevuld met het luchtspanmengsel is de verplaatsing 1500 cc. Op punt B is het volume VB = VA / R = 200 cc.

Het volume op punt C is ook 200 cc.

Drukberekening in A, B en C

Punt een druk is atmosferische druk. De druk op punt B kan worden berekend met behulp van de relatie van Poisson voor een adiabatisch proces:

Kan u van dienst zijn: wat is de elektriciteit? (Met experiment)

Rekening houdend met dat het mengsel overwegend lucht is die kan worden behandeld als een ideaal diatomisch gas, neemt de gamma -adiabatische coëfficiënt waarde 1,4. Dan is de druk op punt B 1837,9 kPa.

Het volume van punt C is hetzelfde als dat van punt B, dat is 200 cc.

De druk op punt C is groter dan in punt B vanwege de toename van de temperatuur veroorzaakt door verbranding. Om het te berekenen, moeten we weten hoeveel hitte de verbranding heeft bijgedragen.

De warmte die wordt geboden door verbranding is evenredig met de hoeveelheid mengsel die brandt.

Met behulp van de ideale gasstatusvergelijking:

Waar RM Het is de luchtconstante waarvan de waarde 286,9 j / (kg k) is en m is de mengselmassa die in het toelatingsproces wordt genomen. Het opruimen van de massa M van de toestandsvergelijking en het vervangen van de druk-, temperatuur- en volumewaarden op punt A wordt 1,78 gram mengsel verkregen.

Dan is de warmte die wordt bijgedragen door verbranding 1,78 gram x 850 Joules/gram = 1513 Joules. Dit veroorzaakt een temperatuurstijging die kan worden berekend

TB kan worden berekend op basis van de toestandsvergelijking, wat resulteert in 718 K, vervolgens voor onze gegevens, de waarde die voortvloeit uit TC is 1902 k.

De druk op punt C wordt gegeven door de toestandsvergelijking die op dat punt wordt toegepast, wat resulteert in 4868,6 kPa.

Netto werk per cyclus blijkt 838,5 Joules te zijn.

-Oefening 2

Bepaal de efficiëntie of motorprestaties van oefening 1. Ervan uitgaande dat de motor werkt bij 3000 r.P.M Bepaal de kracht.

Oplossing

Het netto werk verdelen tussen de verstrekte warmte Een efficiëntie van 55,4% wordt verkregen. Dit resultaat valt samen met dat verkregen door de directe toepassing van de efficiëntieformule op basis van de compressieverhouding.

Kracht is het werk dat per tijdseenheid is gedaan. 3000 r.P.M. gelijk aan 50 ronden per seconde. Maar de Otto -cyclus is voltooid voor elke twee beurten van de motor omdat deze een vierstroom is, zoals we hierboven hebben uitgelegd.

Dit betekent dat in een seconde de otto -cyclus 25 keer wordt herhaald, dus het werk is 25 x 838,5 joules in een seconde.

Dit komt overeen met 20,9 kilowatt vermogen gelijkwaardig aan 28 stoompaarden.

Referenties

1. Thermodynamische cycli. Hersteld van: fis.PUC.Klet
2. Martín, t. En serrano, naar. Otto -cyclus. Hersteld van: 2.Montes.UPM.is.
3. Sevilla University. Wiki van het Department of Applied Physics Case Cycle of Otto Cycle. Hersteld van: laplace.ons.is.
4. Wikipedia. Otto -cyclus. Hersteld van: is.Wikipedia.com
5. Wikipedia. Otto -motor. Hersteld van: is.Wikipedia.com