Objectif

Nous examinons la conception d’un cycle Otto et la façon dont ses performances peuvent être améliorées en modifiant son taux de compression volumétrique. Le cycle Otto un cycle fermé (où le système est une masse de contrôle), couramment utilisé pour modéliser les cylindres à allumage commandé, à combustion interne, les moteurs automobiles, c’est-à-dire les moteurs à essence.

L’Idée générale

Le cycle Otto est très similaire au cycle Diesel en ce sens que les deux sont des cycles fermés couramment utilisés pour modéliser des moteurs à combustion interne. La différence entre eux est que le cycle Otto est un cycle d’allumage par étincelle au lieu d’un cycle d’allumage par compression comme le cycle Diesel. Les cycles d’allumage par étincelle sont conçus pour utiliser des carburants qui nécessitent une étincelle pour commencer la combustion.

Étapes des cycles Otto

Les cycles Otto ont quatre étapes: expansion, refroidissement, compression et combustion.

	Figure 1: se déplaçant vers le haut pendant l’expansion	Expansion: Dans le cycle Otto, le carburant est brûlé pour chauffer de l’air comprimé et le gaz chaud se dilate forçant le piston à remonter dans le cylindre. C’est dans cette phase que le cycle apporte son travail utile, en faisant tourner le vilebrequin de l’automobile. Nous faisons l’hypothèse idéale que cette étape d’un cycle d’Otto idéal est isentropique.Piston : déplacement du point mort bas au point mort haut.
	Figure 2: point mort haut pendant le refroidissement	Refroidissement: Ensuite, l’air détendu est refroidi aux conditions ambiantes. Dans un moteur d’automobile réel, cela correspond à évacuer l’air du moteur vers l’environnement et à le remplacer par de l’air frais. Comme cela se produit lorsque le piston est en position de point mort haut dans le cycle et ne bouge pas, nous disons que ce processus est isochorique (pas de changement de volume).Piston : au point mort haut.
	Figure 3: déplacement vers le bas pendant la compression	Compression: En préparation pour ajouter de la chaleur à l’air, nous le compressons ensuite en déplaçant le piston vers le bas du cylindre. C’est dans cette partie du cycle que nous contribuons au travail de l’air. Dans le cycle d’Otto idéal, cette compression est considérée comme isentropique. C’est à ce stade que l’on fixe le taux de compression volumétrique, r qui est le rapport entre le volume du fluide de travail avant le processus de compression et son volume après. Il s’avérera que l’efficacité du cycle Otto (en supposant que l’air est un gaz idéal) peut être entièrement décrite en termes de ce rapport. Piston: déplacement du point mort haut au point mort bas.
	Figure 4: point mort bas pendant la combustion	Combustion: Ensuite, la chaleur est ajoutée à l’air par combustion du carburant lorsque le piston est en position point mort bas. La combustion n’est pas déclenchée tant qu’une étincelle (provenant d’une bougie, par exemple) n’est pas générée dans le cylindre. Parce que le piston est essentiellement immobile pendant cette partie du cycle, on dit que l’addition de chaleur est isochorique, comme le processus de refroidissement.Piston : au point mort bas.

Diagramme P-v

Le diagramme P-v pour un cycle Otto est illustré ci-dessous.

Figure 5: Diagramme P-v du cycle Otto

Exemple de Conception du cycle Otto

Énoncé du problème

À des fins d’illustration, nous supposerons que nous voulons concevoir un cycle Otto qui prend 1 kg d’air à des conditions ambiantes de 15 ° C et 100 kPa, le compresse à un huitième de son volume d’origine et ajoute 1800kJ de chaleur dans son processus de combustion. Avec ce que nous savons des cycles Otto, c’est tout ce dont nous avons besoin pour décrire complètement le problème.

Implémentation de CyclePad

Ci-dessous, vous trouverez une conception possible de CyclePad d’un cycle Otto.

Figure 6: Cycle Otto dans CyclePad

le fluide de travail

Nous le fluide de travail le plus courant pour un cycle Otto est l’air, car c’est la chose la moins chère pour brûler de l’essence. Nous pouvons choisir l’air comme fluide de travail en tant qu’air en le sélectionnant comme substance dans la fenêtre du compteur de n’importe quelle substance.

Description des étapes du cycle

Nous examinerons brièvement chaque point d’état et processus du cycle Otto où des hypothèses de conception doivent être formulées, en détaillant chaque hypothèse. Comme nous pouvons le voir dans les exemples de contraintes de conception, très peu de nombres doivent être spécifiés pour décrire un cycle d’Otto idéal. Le reste des hypothèses est déterminé en appliquant des connaissances de base sur le cycle. La décision de conception numérique principale est le taux de compression.

Propriétés du cycle

Sous l’élément de menu Cycle, nous pouvons appeler la fenêtre Compteur de propriétés du cycle. La seule hypothèse nécessaire ici est que le cycle est un moteur thermique (un dispositif pour convertir la chaleur en travail) afin que CyclePad sache évaluer son efficacité.

Pré-Expansion (S1)

Aucune spécification nécessaire ici, bien qu’il soit aussi bon que tout autre endroit pour spécifier le fluide de travail à air.

Processus d’expansion (EXP1)

Puisque nous analysons un cycle d’Otto idéal, nous supposons que l’expansion est isentropique. Si nous savions combien de perte de chaleur s’est produite dans l’expansion et le travail qu’elle a produit, nous pourrions être en mesure de spécifier ceux ici à la place pour modéliser un processus d’expansion non idéal.

Échappement (Post-Expansion) (S2)

Aucune spécification nécessaire ici. C’est là que nous libérons l’air usagé dans l’environnement.

Processus de refroidissement (CLG1)

Comme le remplacement de l’air usé par de l’air frais se produit lorsque le piston est en position de point mort haut, nous supposons que le processus de refroidissement est isochorique.

Pré-compression (S3)

À ce stade, l’air pénètre dans le cylindre aux conditions ambiantes, nous supposons donc que la température t est de 15% deg; C et la pression de 100 kPa, comme spécifié dans l’énoncé du problème.

Processus de compression (CMP1)

Ici, nous supposons à la fois que la compression pour le cycle Otto idéal est isentropique et que notre taux de compression est de 8, comme indiqué dans l’énoncé du problème.

Post-compression (S4)

Aucune spécification nécessaire ici.

Processus de combustion (HTG1)

Ici, nous supposons que le chauffage (qui a lieu alors que le piston est au point mort bas et ne bouge pas, similaire au refroidissement) est isochorique et nous supposons également que la chaleur ajoutée (Q) est de 1800 kJ.

Efficacité du cycle Otto

Nous pouvons regarder à nouveau dans la fenêtre du compteur des propriétés du cycle pour voir que l’efficacité thermique du cycle Otto que nous avons construit est d’environ 57,5%.

Figure 7: Propriétés du cycle

Il s’avère que l’efficacité thermique du cycle Otto peut être exprimée en termes de taux de compression volumétrique. C’est-à-dire :

Qin-Qout

—-

Qin

h=	=1-1/(rk-1)

où k est le rapport thermique spécifique (= Cp/Cv).

Nous pouvons ainsi améliorer l’efficacité du cycle en augmentant le rapport de compression. La figure suivante montre la relation graphiquement.

Figure 8: Efficacité du cycle par rapport au Taux de compression volumétrique

Donc, si nous devions changer la valeur de r à 10, notre efficacité du cycle augmenterait à plus de 60%, ce qui est une amélioration significative.

Cela pose la question évidente: Pourquoi ne pas définir le taux de compression sur quelque chose de très grand pour obtenir le plus haut rendement? La réponse est double. Premièrement, notre taux de compression est limité par les contraintes mécaniques du système. Si la pression dans le cylindre est trop élevée, le risque de casser le piston, le cylindre ou une autre partie du moteur. Par exemple, les roulements sont sujets à la défaillance dans les moteurs d’automobiles fonctionnant avec des taux de compression trop élevés. Le graphique ci-dessous montre la relation entre la pression maximale du cycle et le taux de compression.

Figure 9: Pression maximale du cycle par rapport au Taux de compression volumétrique

En prenant le taux de compression de 8 à 11, par exemple, nous avons augmenté la pression maximale du cycle d’un peu moins de 9 Mpa à près de 12,5 Mpa.

De plus, à mesure que nous augmentons le taux de compression, l’augmentation de la pression et de la température après le processus de compression augmente la probabilité de dieseling, ce qui décrit une situation dans laquelle le carburant s’enflamme tout seul, avant que l’étincelle d’allumage ne soit appliquée. Cela entre en conflit avec notre hypothèse selon laquelle l’allumage (et donc la combustion) a lieu lorsque le piston est en position de point mort bas isochorique. De plus, cela peut en fait endommager le moteur lorsque la combustion a lieu avant même que le piston ait fini de passer à travers le processus de compression et force le piston de secours avant que le vilebrequin ne tourne dans la bonne position (avant qu’il ne soit passé de l’orientation indiquée sur la figure 3 à celle de la figure 4).

Fichiers de conception de CyclePad

Téléchargez la conception de CyclePad du cycle Otto.

Entrées connexes

• Cycle diesel
• Conception d’un cycle de Rankine

Sources

Whalley, P.B. 1992. Thermodynamique d’Ingénierie de base.Presse de l’Université d’Oxford. Il s’agit de la première édition de la série. 1994. Fondamentaux de la Thermodynamique classique, 4ème édition.John Wiley et ses fils.

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