mål

Vi ser på designet af en Otto-cyklus og på, hvordan dens ydeevne kan forbedres ved at ændre dens volumetriske kompressionsforhold. Det Otto cyklus en lukket cyklus (hvor systemet er en kontrolmasse), der ofte bruges til at modellere cylindrene til gnisttænding, forbrænding, bilmotorer, dvs.bensinmotorer.

den generelle ide

Otto-cyklussen ligner meget Dieselcyklussen, idet begge er lukkede cyklusser, der ofte bruges til at modellere forbrændingsmotorer. Forskellen mellem dem er, at Otto-cyklen er en gnisttændingscyklus i stedet for en kompressionstændingscyklus som Dieselcyklussen. Gnisttændingscyklusser er designet til at bruge brændstoffer, der kræver en gnist for at starte forbrændingen.

stadier af Otto-cyklusser

Otto-cyklusser har fire faser: ekspansion, afkøling, kompression og forbrænding.

	Figur 1: bevæger sig op under ekspansion	ekspansion: I Otto-cyklussen brændes brændstof til opvarmning af trykluft, og den varme gas udvides og tvinger stemplet til at rejse op i cylinderen. Det er i denne fase, at cyklussen bidrager med sit nyttige arbejde og roterer bilens krumtapaksel. Vi antager den ideelle antagelse, at dette trin i en ideel Otto-cyklus er isentropisk.stempel: bevæger sig fra bunddødcenter til topdødcenter.
	figur 2: top dødcenter under afkøling	køling: dernæst afkøles den ekspanderede luft til omgivende forhold. I en egentlig bilmotor svarer dette til at udtømme luften fra motoren til miljøet og erstatte den med frisk luft. Da dette sker, når stemplet er i den øverste dødpunkt i cyklussen og ikke bevæger sig, siger vi, at denne proces er isokorisk (ingen ændring i volumen).stempel: øverst dødcenter.
	figur 3: flytning ned under komprimering	komprimering: som forberedelse til at tilføje varme til luften komprimerer vi det næste ved at flytte stemplet ned ad cylinderen. Det er i denne del af cyklussen, at vi bidrager med arbejde til luften. I den ideelle Otto-cyklus anses denne kompression for at være isentropisk. det er på dette stadium, at vi indstiller det volumetriske kompressionsforhold, r, som er forholdet mellem volumenet af arbejdsfluidet før kompressionsprocessen til dets volumen efter. Det vil vise sig, at Otto-cyklusens effektivitet (forudsat at luft er en ideel gas) kan beskrives helt i forhold til dette forhold. stempel: flytter fra top dead center til bund dead center.
	figur 4: bunddødcenter under forbrænding	forbrænding: dernæst tilsættes varme til luften ved brændstofforbrænding, når stemplet er i den nederste dødpunkt position. Forbrænding påbegyndes ikke, før der genereres en gnist (fra et tændrør, for eksempel) i cylinderen. Fordi stemplet i det væsentlige er ubevægeligt i løbet af denne del af cyklussen, siger vi, at varmetilsætningen er isokorisk, ligesom køleprocessen.stempel: nederst dødcenter.

P-V-Diagram

P-v-diagrammet for en Otto-cyklus er vist nedenfor.

figur 5: Otto Cycle P-V diagram

eksempel Otto Cycle Design

Problemerklæring

med henblik på illustration antager vi, at vi ønsker at designe en Otto-cyklus, der tager 1 kg luft ved omgivende forhold på 15 kg c og 100 kPa, komprimerer den til en ottendedel dens oprindelige volumen og tilføjer 1800kj varme til det i sin forbrændingsproces. Med det, vi ved om Otto cycles, er det alt, hvad vi har brug for for fuldstændigt at beskrive problemet.

CyclePad-implementering

nedenfor er et muligt CyclePad-design af en Otto-cyklus.

figur 6: Otto-cyklus i CyclePad

arbejdsvæsken

vi den mest almindelige arbejdsvæske til en Otto-cyklus er luft, da det er den billigste ting at brænde gas. Vi kan vælge luft som vores arbejdsvæske som luft ved at vælge det som stof i målervinduet af noget.

beskrivelse af Cyklusstadier

vi vil kort undersøge hvert statepunkt og proces i Otto-cyklussen, hvor der skal foretages designantagelser, der beskriver hver antagelse. Som vi kan se fra eksemplet design begrænsninger, meget få tal skal specificeres for at beskrive en ideel Otto cyklus. Resten af antagelserne bestemmes ved at anvende baggrundsviden om cyklussen. Princippet numerisk design beslutning er kompressionsforholdet.

Cycle Properties

under menupunktet Cycle kan vi åbne vinduet Cycle Properties meter. Den eneste nødvendige antagelse her er, at cyklussen er en varmemotor (en enhed til at konvertere varme til arbejde), så CyclePad ved, hvordan man vurderer dens effektivitet.

forudvidelse (S1)

ingen nødvendige specifikationer her, selvom det er et så godt sted som ethvert sted at specificere arbejdsvæsken, der skal være luft.

udvidelsesproces (EKSP1)

da vi analyserer en ideel Otto-cyklus, antager vi, at udvidelsen er isentropisk. Hvis vi vidste, hvor meget varmetab der opstod i udvidelsen og det arbejde, det producerede, kan vi muligvis specificere dem her i stedet for at modellere en ikke-ideel ekspansionsproces.

udstødning (Efterudvidelse) (S2)

ingen nødvendige specifikationer her. Det er her, Vi frigiver den brugte luft til miljøet.

køleproces (CLG1)

da udskiftning af brugt luft med frisk luft opstår, når stemplet er i sin øverste dødpunkt, antager vi, at køleprocessen er isokorisk.

Forkomprimering (S3)

på dette tidspunkt har vi luft, der kommer ind i cylinderen under omgivende forhold, så vi antager, at temperaturen t er 15% grader;C og trykket skal være 100 kPa, som angivet i problemstillingen.

Kompressionsproces (CMP1)

her antager vi både, at kompressionen for den ideelle Otto-cyklus er isentropisk, og at vores kompressionsforhold er 8, som angivet i problemstillingen.

Efterkomprimering (S4)

ingen nødvendige specifikationer her.

forbrændingsproces (HTG1)

her antager vi, at opvarmningen (som finder sted, mens stemplet er i bunden dødpunkt og ikke bevæger sig, svarende til afkøling) er isokorisk, og vi antager også, at den tilsatte varme (K) er 1800 kJ.

Otto Cycle Efficiency

vi kan se igen i vinduet Cycle Properties meter for at se, at den termiske effektivitet af Otto cycle, vi har bygget, er omkring 57,5%.

Figur 7: Cyklusegenskaber

det viser sig, at Otto-cyklusens termiske effektivitet kan udtrykkes i form af det volumetriske kompressionsforhold. Det er:

h =

– —

= 1-1/(rk-1)

hvor k er det specifikke varmeforhold ( = CP/CV).

så vi kan forbedre cyklusens effektivitet ved at øge komprimeringsforholdet. Følgende figur viser forholdet Grafisk.

figur 8: Cykluseffektivitet vs. volumetrisk kompressionsforhold

så hvis vi skulle ændre værdien af r til 10, ville vores cykluseffektivitet stige til over 60%, hvilket er en betydelig forbedring.

dette rejser det åbenlyse spørgsmål: Hvorfor ikke indstille kompressionsforholdet til noget meget stort for at få den højeste effektivitet? Svaret er dobbelt. For det første er vores kompressionsforhold begrænset af mekaniske begrænsninger i systemet. Hvis trykket i cylinderen er for højt, er chancen for at bryde stemplet, cylinderen eller en anden del af motoren. For eksempel er lejer tilbøjelige til at mislykkes i bilmotorer, der kører med for høje kompressionsforhold. Plottet nedenfor viser forholdet mellem maksimalt cyklustryk og kompressionsforholdet.

figur 9: maksimalt Cyklustryk vs. volumetrisk kompressionsforhold

ved at tage kompressionsforholdet fra 8 til 11 har vi for eksempel øget det maksimale cyklustryk fra knap 9 Mpa til næsten 12,5 Mpa.

når vi øger kompressionsforholdet, øger det øgede tryk og temperaturen efter kompressionsprocessen sandsynligheden for dieseling, som beskriver en situation, hvor brændstoffet antændes alene, før tændingsgnisten påføres. Dette er i strid med vores antagelse om, at tænding (og dermed forbrænding) finder sted, når stemplet er i den isokoriske bunddødposition. Derudover kan det faktisk resultere i motorskader, hvor forbrændingen finder sted, selv før stemplet er færdig med at komme igennem kompressionsprocessen og tvinger stempelbackupen, før krumtapakslen har drejet til den rigtige position (før den er gået fra orienteringen vist i figur 3 til den i figur 4).

CyclePad Design filer

Hent CyclePad design af Otto cyklus.

relaterede poster

• Dieselcyklus
• Design af en Rankine-cyklus

kilder

Hvalley, P. B. 1992. Grundlæggende Engineering Termodynamik.University Press. ISBN: 0-19-856255-1

Van vilen, Sonntag, Borgnakke. 1994. Grundlæggende om klassisk termodynamik, 4. udgave.John Og Sønnerne. ISBN: 0-471-59395-8

gå til

eller