Ziel

Wir betrachten das Design eines Otto-Zyklus und wie seine Leistung durch Ändern seines volumetrischen Kompressionsverhältnisses verbessert werden kann. Der Otto-Zyklus ein geschlossener Zyklus (bei dem das System eine Steuermasse ist), der üblicherweise zum Modellieren der Zylinder von Ottomotoren, Verbrennungsmotoren und Kraftfahrzeugmotoren, d. H. Benzinmotoren, verwendet wird.

Die allgemeine Idee

Der Otto-Zyklus ist dem Dieselzyklus insofern sehr ähnlich, als beide geschlossene Zyklen sind, die üblicherweise zur Modellierung von Verbrennungsmotoren verwendet werden. Der Unterschied zwischen ihnen besteht darin, dass der Otto-Zyklus ein Funkenzündungszyklus anstelle eines Selbstzündungszyklus wie der Dieselzyklus ist. Funkenzündungszyklen sind für die Verwendung von Brennstoffen ausgelegt, für deren Beginn ein Funke erforderlich ist.

Stufen von Otto-Zyklen

Otto-Zyklen haben vier Stufen: Expansion, Kühlung, Kompression und Verbrennung.

	Abbildung 1: während der Expansion nach oben bewegen	Expansion: Im Otto-Zyklus wird Kraftstoff verbrannt, um Druckluft zu erwärmen, und das heiße Gas dehnt sich aus und zwingt den Kolben, sich im Zylinder nach oben zu bewegen. In dieser Phase trägt der Zyklus seine nützliche Arbeit bei und dreht die Kurbelwelle des Automobils. Wir machen die ideale Annahme, dass dieses Stadium in einem idealen Otto-Zyklus isentropisch ist. Kolben: Bewegung vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt.
	Abbildung 2: oberer Totpunkt während der Kühlung	Kühlung: Anschließend wird die expandierte Luft auf Umgebungsbedingungen abgekühlt. In einem tatsächlichen Kraftfahrzeugmotor entspricht dies dem Absaugen der Luft aus dem Motor in die Umgebung und dem Ersetzen durch Frischluft. Da dies geschieht, wenn sich der Kolben im oberen Totpunkt des Zyklus befindet und sich nicht bewegt, sagen wir, dass dieser Prozess isochor ist (keine Volumenänderung). Kolben: im oberen Totpunkt.
	Abbildung 3: Abwärtsbewegung während der Komprimierung	Komprimierung: In Vorbereitung auf das Hinzufügen von Wärme zur Luft komprimieren wir sie als nächstes, indem wir den Kolben den Zylinder hinunter bewegen. In diesem Teil des Zyklus tragen wir Arbeit zur Luft bei. Im idealen Otto-Zyklus wird diese Kompression als isentropisch angesehen. In diesem Stadium stellen wir das volumetrische Kompressionsverhältnis ein, r, das das Verhältnis des Volumens des Arbeitsfluids vor dem Kompressionsvorgang zu seinem Volumen danach ist. Es wird sich herausstellen, dass die Effizienz des Otto-Zyklus (unter der Annahme, dass Luft ein ideales Gas ist) vollständig in Bezug auf dieses Verhältnis beschrieben werden kann. Kolben: bewegung vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt.
	Abbildung 4: Unterer Totpunkt während der Verbrennung	Verbrennung: Als nächstes wird der Luft durch Kraftstoffverbrennung Wärme zugesetzt, wenn sich der Kolben in der unteren Totpunktposition befindet. Die Verbrennung wird erst eingeleitet, wenn ein Funke (z. B. von einer Zündkerze) im Zylinder erzeugt wird. Da der Kolben während dieses Teils des Zyklus im Wesentlichen unbeweglich ist, sagen wir, dass die Wärmezufuhr isochor ist, wie der Kühlprozess. Kolben: im unteren Totpunkt.

P-v-Diagramm

Das P-v-Diagramm für einen Otto-Zyklus ist unten dargestellt.

Abbildung 5: Otto-Zyklus-P-v-Diagramm

Beispiel Otto-Zyklus-Design

Problemstellung

Zur Veranschaulichung gehen wir davon aus, dass wir einen Otto-Zyklus entwerfen möchten, der 1 kg Luft bei Umgebungsbedingungen von 15 ° C und 100 kPa aufnimmt, auf ein Achtel seines ursprünglichen Volumens komprimiert und 1800 kj von Wärme, um es in seinem Verbrennungsprozess. Mit dem, was wir über Otto-Zyklen wissen, ist das alles, was wir brauchen, um das Problem vollständig zu beschreiben.

CyclePad-Implementierung

Nachfolgend finden Sie ein mögliches CyclePad-Design eines Otto-Zyklus.

Abbildung 6: Otto-Zyklus im CyclePad

das Arbeitsfluid

Wir Das gebräuchlichste Arbeitsfluid für einen Otto-Zyklus ist Luft, da es das billigste ist, um Benzin zu verbrennen. Wir können Luft als Arbeitsfluid als Luft auswählen, indem wir sie als Substanz im Messfenster eines beliebigen Materials auswählen.

Beschreibung der Zyklusstufen

Wir werden kurz jeden Zustandspunkt und Prozess des Otto-Zyklus untersuchen, in dem Entwurfsannahmen getroffen werden müssen, und jede Annahme detailliert beschreiben. Wie wir aus den Konstruktionsbeschränkungen des Beispiels ersehen können, müssen nur sehr wenige Zahlen angegeben werden, um einen idealen Otto-Zyklus zu beschreiben. Der Rest der Annahmen wird durch Anwendung von Hintergrundwissen über den Zyklus bestimmt. Die wichtigste numerische Entwurfsentscheidung ist das Kompressionsverhältnis.

Zykluseigenschaften

Unter dem Menüpunkt Zyklus können wir das Fenster Zykluseigenschaften Meter aufrufen. Die einzige notwendige Annahme hier ist, dass der Zyklus eine Wärmekraftmaschine ist (ein Gerät, um Wärme in Arbeit umzuwandeln), so dass CyclePad weiß, wie man seine Effizienz bewertet.

Vorexpansion (S1)

Hier sind keine Spezifikationen erforderlich, obwohl es so gut wie möglich ist, das Arbeitsfluid als Luft anzugeben.

Expansionsprozess (EXP1)

Da wir einen idealen Otto-Zyklus analysieren, gehen wir davon aus, dass die Expansion isentropisch ist. Wenn wir wüssten, wie viel Wärmeverlust bei der Expansion auftrat und welche Arbeit sie produzierte, könnten wir diese hier angeben, um einen nicht idealen Expansionsprozess zu modellieren.

Auspuff (Nachexpansion) (S2)

Hier sind keine Angaben erforderlich. Hier geben wir die verbrauchte Luft an die Umwelt ab.

Kühlprozess (CLG1)

Da der Austausch von verbrauchter Luft durch Frischluft erfolgt, wenn sich der Kolben in seiner oberen Totpunktposition befindet, gehen wir davon aus, dass der Kühlprozess isochor ist.

Vorkompression (S3)

Zu diesem Zeitpunkt tritt Luft unter Umgebungsbedingungen in den Zylinder ein, daher nehmen wir an, dass die Temperatur 15% deg;C und der Druck 100 kPa betragen, wie in der Problemstellung angegeben.

Kompressionsverfahren (CMP1)

Hier nehmen wir sowohl an, dass die Kompression für den idealen Otto-Zyklus isentropisch ist, als auch, dass unser Kompressionsverhältnis 8 ist, wie in der Problemstellung angegeben.

Nachkomprimierung (S4)

Hier sind keine Angaben erforderlich.

Verbrennungsprozess (HTG1)

Hier nehmen wir an, dass die Erwärmung (die stattfindet, während sich der Kolben im unteren Totpunkt befindet und sich nicht bewegt, ähnlich wie die Kühlung) isochor ist, und wir nehmen auch an, dass die hinzugefügte Wärme (Q) 1800 kJ beträgt.

Otto Cycle Efficiency

Wir können noch einmal in das Zykluseigenschaften-Messfenster schauen, um zu sehen, dass der thermische Wirkungsgrad des Otto-Zyklus, den wir gebaut haben, etwa 57,5% beträgt.

Abbildung 7: Zykluseigenschaften

Es stellt sich heraus, dass der thermische Wirkungsgrad des Otto-Zyklus in Bezug auf das volumetrische Verdichtungsverhältnis ausgedrückt werden kann. Das heißt:

h =

Qin – Qout —– Qin

= 1 – 1/(rk-1)

wobei k das spezifische Wärmeverhältnis ( = Cp / Cv) ist.

Wir können also die Effizienz des Zyklus verbessern, indem wir das Kompressionsverhältnis erhöhen. Die folgende Abbildung zeigt die Beziehung grafisch.

Abbildung 8: Zykluseffizienz vs. Volumetrisches Kompressionsverhältnis

Wenn wir also den Wert von r auf 10 ändern würden, würde sich unsere Zykluseffizienz auf über 60% erhöhen, was eine signifikante Verbesserung darstellt.

Dies wirft die offensichtliche Frage auf: Warum nicht das Kompressionsverhältnis auf etwas sehr Großes einstellen, um die höchste Effizienz zu erzielen? Die Antwort ist zweifach. Erstens ist unser Kompressionsverhältnis durch mechanische Einschränkungen im System begrenzt. Wenn der Druck im Zylinder zu hoch ist, besteht die Möglichkeit, dass der Kolben, der Zylinder oder ein anderer Teil des Motors beschädigt wird. Beispielsweise sind Lager in Kraftfahrzeugmotoren, die mit zu hohen Verdichtungsverhältnissen laufen, störanfällig. Die folgende Grafik zeigt die Beziehung zwischen dem maximalen Zyklusdruck und dem Verdichtungsverhältnis.

Abbildung 9: Maximaler Zyklusdruck vs. Volumetrisches Verdichtungsverhältnis

Indem wir beispielsweise das Verdichtungsverhältnis von 8 auf 11 genommen haben, haben wir den maximalen Zyklusdruck von knapp 9 Mpa auf fast 12,5 MPa erhöht.Wenn wir das Verdichtungsverhältnis erhöhen, erhöht der erhöhte Druck und die erhöhte Temperatur nach dem Verdichtungsvorgang außerdem die Wahrscheinlichkeit eines Diesels, was eine Situation beschreibt, in der sich der Kraftstoff von selbst entzündet, bevor der Zündfunke angelegt wird. Dies steht im Widerspruch zu unserer Annahme, dass die Zündung (und damit die Verbrennung) stattfindet, wenn sich der Kolben im isochoren unteren Totpunkt befindet. Darüber hinaus kann es tatsächlich zu Motorschäden führen, bei denen die Verbrennung stattfindet, noch bevor der Kolben den Kompressionsvorgang abgeschlossen hat, und den Kolben nach hinten drückt, bevor sich die Kurbelwelle in die richtige Position gedreht hat (bevor sie von der in Abbildung 3 gezeigten Ausrichtung zu der in Abbildung 4 gezeigten übergegangen ist).

CyclePad-Designdateien

Laden Sie das CyclePad-Design des Otto-Zyklus herunter.

Verwandte Einträge

• Dieselzyklus
• Entwurf eines Rankine-Zyklus

Quellen

Whalley, P.B. 1992. Grundlegende technische Thermodynamik.In: Oxford University Press. ISBN: 0-19-856255-1

Van Wylen, Sonntag, Borgnakke. 1994. Grundlagen der klassischen Thermodynamik, 4. Auflage.John Wiley und Söhne. ISBN: 0-471-59395-8

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