tavoite

tarkastelemme Otto-syklin suunnittelua ja sitä, miten sen suorituskykyä voidaan parantaa muuttamalla sen volumetristä puristussuhdetta. Otto-sykli suljettu sykli (jossa järjestelmä on ohjausmassa), jota käytetään yleisesti mallintamaan kipinäsytytys -, polttomoottori -, automoottoreiden sylintereitä eli bensiinimoottoreita.

Yleisidea

Otto-sykli on hyvin samankaltainen Dieselkierron kanssa siinä, että molemmat ovat suljettuja syklejä, joita käytetään yleisesti polttomoottoreiden mallintamiseen. Niiden erona on se, että Otto-sykli on kipinäsytytysjakso dieselsyklin kaltaisen puristussytytysjakson sijaan. Kipinäsytytysjaksoissa on tarkoitus käyttää polttoaineita, jotka vaativat kipinän palamisen aloittamiseen.

Otto-jaksojen vaiheissa

Otto-jaksoissa on neljä vaihetta: laajeneminen, jäähdytys, puristus ja palaminen.

Kuva 1: laajenemisen aikana	laajeneminen: Otto-syklissä polttoaine poltetaan paineilman lämmittämiseksi ja kuuma kaasu laajenee pakottaen männän kulkemaan sylinterissä ylöspäin. Tässä vaiheessa sykli edistää hyödyllistä työtään pyörittämällä auton kampiakselia. Teemme ihanteellisen oletuksen, että tämä vaihe ideaalisessa Otto-syklissä on isentrooppinen. mäntä: siirrytään alhaalta kuolleesta keskikohdasta ylimpään kuolleeseen keskikohtaan.
	kuva 2: ylin kuollut keskus jäähdytyksen aikana	jäähdytys: seuraavaksi laajennettu ilma jäähdytetään ympäristön olosuhteisiin. Varsinaisessa auton moottorissa tämä vastaa ilman uuvuttamista moottorista ympäristöön ja sen korvaamista raikkaalla ilmalla. Koska tämä tapahtuu, kun mäntä on ylimmässä kuolleen keskustan asennossa syklin ja ei liiku, sanomme, että tämä prosessi on isocoric (ei muutosta tilavuus). mäntä: ylhäällä kuollut keskellä.
	kuva 3: liikkuvat alaspäin puristuksen aikana	puristus: valmistellessamme lämmön lisäämistä ilmaan, puristamme sen seuraavaksi siirtämällä mäntää sylinteriä alaspäin. Se on tässä osassa syklin, että me edistää työtä ilmaan. Ideaalisessa Otto-syklissä tätä puristusta pidetään isentrooppisena. tässä vaiheessa asetetaan volumetrinen puristussuhde, r, joka on puristusprosessia edeltävän työnesteen tilavuuden suhde sen tilavuuteen sen jälkeen. Käy ilmi, että Otto-syklin hyötysuhde (olettaen, että ilma on ideaalikaasu) voidaan kuvata kokonaan tämän suhteen avulla. Männikkö: siirrymme ylhäältä kuolleesta keskeltä alas kuolleeseen keskelle.
	Kuva 4: pohjan kuollut keskus palamisen aikana	palaminen: seuraavaksi ilmaan lisätään lämpöä polttoaineen palamisen yhteydessä, kun mäntä on siinä pohjassa kuolleen keskustan asennossa. Palaminen aloitetaan vasta, kun sylinteriin syntyy kipinä (esimerkiksi sytytystulpasta). Koska mäntä on olennaisesti liikkumaton syklin tämän osan aikana, sanomme, että lämmön lisäys on isokokoinen, kuten jäähdytysprosessi. mäntä: alhaalla kuollut keskellä.

p-v-Diagrammi

alla on esitetty Otto-syklin p-v-Diagrammi.

kuva 5: Otto-syklin p-v kaavio

esimerkki Otto-syklin suunnittelu

Ongelmalauseke

havainnollistamista varten oletamme, että haluamme suunnitella Otto-syklin, joka ottaa 1 kg ilmaa 15°C: n ja 100kPa: n olosuhteissa, pakkaa sen kahdeksasosaan alkuperäisestä tilavuudestaan ja lisää 1800kj lämpöä sen palamisprosessissa. Mitä tiedämme Otto syklit, että on kaikki mitä tarvitsemme täysin kuvata ongelma.

CyclePad toteutus

alla on mahdollinen Otto-syklin CyclePad-suunnittelu.

kuva 6: Otto-sykli Syklipadissa

työneste

meillä yleisin Otto-syklin työneste on ilma, koska se on halvin asia, jossa polttaa bensiiniä. Työskentelynesteeksi voimme valita ilman kuin ilman valitsemalla sen minkä tahansa aineen mittarin ikkunaan.

syklin vaiheiden kuvaus

tarkastelemme lyhyesti jokaista Otto-syklin statepointia ja prosessia, jossa on tehtävä suunnitteluoletuksia, yksityiskohtaisesti jokaisen oletuksen. Kuten voimme nähdä esimerkistä suunnittelun rajoitteet, hyvin harvat numerot on täsmennettävä kuvaamaan ihanteellinen Otto sykli. Loput oletuksista määritetään soveltamalla syklin taustatietoa. Numeerinen suunnittelupäätös on puristussuhde.

syklin ominaisuudet

syklin valikosta voimme kutsua syklin ominaisuuksien mittarin ikkunan ylös. Ainoa tarpeellinen oletus tässä on, että sykli on lämpö Moottori (laite muuntaa lämpöä töihin) niin, että CyclePad osaa arvioida sen tehokkuutta.

Esilaajennus (S1)

tässä ei tarvita spesifikaatioita, vaikka työnesteeksi on yhtä hyvä määritellä ilma.

laajenemisprosessi (EXP1)

koska analysoimme ideaalista Otto-sykliä, oletamme, että laajeneminen on isentrooppinen. Jos tietäisimme, kuinka paljon lämpöhäviötä tapahtui laajennuksessa ja sen tuottamassa työssä, voisimme ehkä määrittää ne täällä sen sijaan mallintamaan ei-ihanteellista laajentumisprosessia.

pakokaasu (laajennuksen jälkeinen) (S2)

tässä ei tarvita spesifikaatioita. Täällä päästämme käytetyn ilman ympäristöön.

Jäähdytysprosessi (CLG1)

koska käytetyn ilman korvaaminen raikkaalla ilmalla tapahtuu, kun mäntä on ylimmässä kuolleessa keskiasennossaan, oletamme jäähdytysprosessin olevan isokokoinen.

Esipuristus (S3)

tässä vaiheessa sylinteriin tulee ilmaa ympäristön olosuhteissa, joten oletamme lämpötilan t olevan 15% astetta;C ja paineen olevan 100 kPa, kuten ongelmalausekkeessa on määritelty.

puristusprosessi (CMP1)

tässä oletamme sekä, että ideaalisen Otto-syklin puristus on isentrooppinen ja että meidän puristussuhteemme on 8, kuten ongelmalausekkeessa on esitetty.

Jälkipakkaus (S4)

tässä ei tarvita spesifikaatioita.

palamisprosessi (HTG1)

tässä oletamme, että lämmitys (joka tapahtuu männän ollessa alhaalla kuolleessa keskuksessa eikä liiku, samanlainen kuin jäähdytys) on isochoric ja oletamme myös lisätyn lämmön (Q) olevan 1800 kJ.

Otto-syklin hyötysuhde

voimme katsoa uudelleen syklin ominaisuuksien mittari-ikkunasta, että rakentamamme Otto-syklin lämpöhyötysuhde on noin 57,5%.

Kuva 7: syklin ominaisuudet

käy ilmi, että Otto-syklin lämpöhyötysuhde voidaan ilmaista volumetrisen puristussuhteen avulla. Se on:

h =

Qin – Qout —– – Qin

= 1-1/(rk-1)

, jossa K on ominaislämpösuhde ( = CP / CV).

joten voimme parantaa syklin tehokkuutta lisäämällä compresion-suhdetta. Seuraava kuva esittää suhteen graafisesti.

Kuva 8: syklin hyötysuhde vs. volumetrinen puristussuhde

joten, jos muuttaisimme arvon r arvoon 10, syklin hyötysuhde nousisi yli 60%: iin, mikä on merkittävä parannus.

tästä seuraa ilmeinen kysymys: Miksi ei aseteta puristussuhdetta johonkin hyvin suureen, jotta saadaan suurin hyötysuhde? Vastaus on kaksijakoinen. Ensinnäkin puristussuhdettamme rajoittavat järjestelmän mekaaniset rajoitteet. Jos paine sylinterissä on liian korkea, männän, sylinterin tai jonkin muun moottorin osan rikkoutumisen mahdollisuus. Esimerkiksi laakerit ovat alttiita vikaantumaan autojen moottoreissa, joita käytetään liian suurilla puristussuhteilla. Seuraavassa kuvaajassa esitetään syklin enimmäispaineen ja puristussuhteen välinen suhde.

Kuva 9: Maksimisyklin paine vs. volumetrinen puristussuhde

kun otetaan esimerkiksi puristussuhde 8: sta 11: een, olemme nostaneet maksimisyklin paineen vajaasta 9 Mpa: sta lähes 12,5 Mpa: iin.

lisäksi puristussuhdetta nostettaessa paine ja lämpötila puristusprosessin jälkeen lisäävät dieselöinnin todennäköisyyttä, mikä kuvaa tilannetta, jossa polttoaine syttyy itsekseen ennen sytytyskipinää. Tämä on ristiriidassa oletuksemme kanssa, että sytytys (ja siten palaminen) tapahtuu, kun mäntä on isochoric pohja kuollut keskus asennossa. Lisäksi se voi itse asiassa aiheuttaa moottorivaurioita, joissa palaminen tapahtuu jo ennen kuin mäntä on päässyt puristusprosessin läpi ja pakottaa männän varmuuskopioinnin ennen kuin kampiakseli on pyörinyt oikeaan asentoon (ennen kuin se on siirtynyt kuvassa 3 esitetystä suunnasta kuvassa 4 esitettyyn suuntaan).

CyclePad-Suunnittelutiedostot

lataavat Otto-syklin CyclePad-suunnittelun.

liittyvät merkinnät

• Dieselkierto
• Rankine-syklin suunnittelu

lähteet

Whalley, P. B. 1992. Termodynamiikan Perusteet.Oxford University Press. ISBN: 0-19-856255-1

Van Wylen, Sonntag, Borgnakke. 1994. Klassisen termodynamiikan perusteet, 4. painos.John Wiley ja pojat. ISBN: 0-471-59395-8

Siirry

tai