cél

megnézzük az Otto-ciklus kialakítását és azt, hogy a teljesítmény hogyan javítható a térfogati tömörítési arány megváltoztatásával. Az Otto-ciklus zárt ciklus (ahol a rendszer egy vezérlő tömeg), amelyet általában szikragyújtású, belső égésű, autómotorok, azaz benzinmotorok hengereinek modellezésére használnak.

az általános gondolat

az Otto-ciklus nagyon hasonlít a Dízelciklushoz, mivel mindkettő zárt ciklus, amelyet általában a belső égésű motorok modellezésére használnak. A különbség közöttük az, hogy az Otto-ciklus szikragyújtási ciklus a kompressziós gyújtási ciklus helyett, mint a dízel ciklus. A szikragyújtási ciklusokat olyan tüzelőanyagok használatára tervezték, amelyek szikrát igényelnek az égés megkezdéséhez.

az Otto-ciklusok szakaszai

az Otto-ciklusok négy szakaszból állnak: tágulás, hűtés, kompresszió és égés.

	1. ábra: expanzió közben felfelé haladva	expanzió: az Otto-ciklusban az üzemanyagot elégetik a sűrített levegő melegítésére, és a forró gáz kitágul, arra kényszerítve a dugattyút, hogy felfelé haladjon a hengerben. Ebben a fázisban járul hozzá a ciklus hasznos munkájához, forgatva az autó főtengelyét. Azt az ideális feltételezést tesszük, hogy az ideális Otto-ciklus ezen szakasza izentropikus. dugattyú: az alsó holtpontról a felső holtpontra mozog.
	2. ábra: felső holtpont hűtés közben	hűtés: ezután a kibővített levegőt környezeti feltételekre hűtjük le. Egy tényleges autómotorban ez megfelel annak, hogy a levegőt a motorból a környezetbe ürítik, és friss levegővel helyettesítik. Mivel ez akkor történik, amikor a dugattyú a ciklus felső holtponti helyzetében van, és nem mozog, azt mondjuk, hogy ez a folyamat izochorikus (nincs térfogatváltozás). dugattyú: a felső holtponton.
	3. ábra: lefelé haladva a tömörítés során	tömörítés: a levegő hőjének hozzáadására való felkészülés során a dugattyút a hengeren lefelé mozgatva összenyomjuk. A ciklus ezen részében járulunk hozzá a munkához a levegőhöz. Az ideális Otto ciklusban ez a tömörítés izentropikusnak tekinthető. ebben a szakaszban állítjuk be a térfogati tömörítési arányt, r amely a munkafolyadék térfogatának aránya a tömörítési folyamat előtt a térfogatához. Kiderül, hogy az Otto-ciklus hatékonysága (feltételezve, hogy a levegő ideális gáz) teljes egészében leírható ebben az arányban. dugattyú: mozgás a felső holtpontról az alsó holtpontra.
	4.ábra: alsó holtpont égés közben	égés: ezután az üzemanyag elégetésével hőt adunk a levegőhöz, amikor a dugattyú alul van holtpont helyzetben. Az égést addig nem indítják el, amíg szikra (például egy gyújtógyertyából) nem keletkezik a hengerben. Mivel a dugattyú lényegében mozdulatlan a ciklus ezen része alatt, azt mondjuk, hogy a hő hozzáadása izochorikus, mint a hűtési folyamat. dugattyú: az alsó holtpontban.

P-v Diagram

az Otto-ciklus P-v diagramja az alábbiakban látható.

5.ábra: Otto-ciklus P-v diagram

példa Otto-ciklus tervezése

probléma nyilatkozat

illusztráció céljából feltételezzük, hogy olyan Otto-ciklust akarunk megtervezni, amely 1 kg levegőt vesz fel 15 Kb C és 100KPA környezeti feltételek mellett, az eredeti térfogatának egynyolcadára tömöríti, és hozzáteszi, hogy 1800kj hő az égési folyamat során. Azzal, amit tudunk az Otto ciklusokról, ez minden, amire szükségünk van a probléma teljes leírásához.

CyclePad implementáció

Az alábbiakban egy lehetséges CyclePad tervezés egy Otto ciklus.

6.ábra: Otto-ciklus a Cyclepadban

a munkafolyadék

mi az Otto-ciklus leggyakoribb munkafolyadéka a levegő, mivel ez a legolcsóbb dolog, amelyben benzint égetünk. Kiválaszthatjuk a levegőt, mint munkafolyadékot, mint levegőt, ha bármilyen anyag mérőablakában anyagként választjuk ki.

A ciklus szakaszainak leírása

röviden megvizsgáljuk az Otto-ciklus minden egyes állapotát és folyamatát, ahol tervezési feltételezéseket kell tenni, részletezve az egyes feltételezéseket. Amint azt a tervezési korlátok példájából láthatjuk, nagyon kevés számot kell megadni az ideális Otto-ciklus leírásához. A többi feltételezést a ciklusra vonatkozó háttérismeretek alkalmazásával határozzák meg. Az elv numerikus tervezési döntés a tömörítési arány.

ciklus tulajdonságai

A ciklus menüpont alatt felhívhatjuk a ciklus tulajdonságai mérő ablakot. Az egyetlen szükséges feltételezés itt az, hogy a ciklus hőmotor (a hő átalakítására szolgáló eszköz), így a CyclePad tudja, hogyan kell értékelni annak hatékonyságát.

Pre-Expansion (S1)

itt nincs szükség specifikációra, bár ugyanolyan jó hely, mint bármelyik, hogy meghatározza a munkafolyadékot, hogy levegő legyen.

expanziós folyamat (EXP1)

mivel az ideális Otto-ciklust elemezzük, feltételezzük, hogy a tágulás izentropikus. Ha tudnánk, hogy mennyi hőveszteség következett be a tágulás során és az általa előállított munkában, akkor talán meg tudnánk határozni azokat, amelyek helyett egy nem ideális tágulási folyamatot modellezhetnénk.

kipufogó (tágulás utáni) (S2)

itt nincs szükség specifikációra. Itt engedjük ki a használt levegőt a környezetbe.

hűtési folyamat (CLG1)

mivel a kiégett levegő friss levegővel történő cseréje akkor következik be, amikor a dugattyú felső holtponti helyzetében van, feltételezzük, hogy a hűtési folyamat izochorikus.

Pre-Compression (S3)

ezen a ponton, van levegő belépő a henger környezeti feltételek, így feltételezzük, hogy a hőmérséklet t 15% fok;C és a nyomás, hogy 100 kPa, amint azt a probléma nyilatkozatot.

tömörítési folyamat (CMP1)

itt mind azt feltételezzük, hogy az ideális Otto-ciklus tömörítése izentropikus, mind pedig a tömörítési arányunk 8, amint azt a problémamegállapítás megadja.

Utótömörítés (S4)

itt nincs szükség specifikációra.

égési folyamat (HTG1)

itt feltételezzük, hogy a fűtés (amely akkor történik, amikor a dugattyú az alsó holtponton van, és nem mozog, hasonlóan a hűtéshez) izochorikus, és feltételezzük, hogy a hozzáadott hő (Q) 1800 kJ.

Otto ciklus hatékonysága

újra megnézhetjük a ciklus tulajdonságainak mérőablakát, hogy lássuk, hogy az általunk épített Otto ciklus hőhatékonysága körülbelül 57,5%.

7.ábra: ciklus tulajdonságai

kiderült, hogy az Otto-ciklus hőhatékonysága a térfogati tömörítési arány szempontjából fejezhető ki. Azaz:

h =

Qin – Qout —– Qin

= 1 – 1/(rk-1)

ahol k a fajlagos hőarány ( = CP / CV).

tehát javíthatjuk a ciklus hatékonyságát a tömörítési arány növelésével. Az alábbi ábra grafikusan mutatja a kapcsolatot.

8.ábra: Ciklushatékonyság vs. volumetrikus tömörítési arány

tehát, ha az r értékét 10-re változtatnánk, a ciklus hatékonysága több mint 60% – ra nőne, ami jelentős javulás.

Ez felveti a nyilvánvaló kérdést: Miért nem állítja be a tömörítési arányt valami nagyon nagyra a legmagasabb hatékonyság érdekében? A válasz kettős. Először is, a tömörítési arányunkat a rendszer mechanikai korlátai korlátozzák. Ha a hengerben a nyomás túl magas, a dugattyú, a henger vagy a motor más részének megtörésének esélye. Például a csapágyak hajlamosak a túl magas tömörítési arányú autómotorok meghibásodására. Az alábbi ábra a maximális ciklusnyomás és a kompressziós arány közötti kapcsolatot mutatja.

9.ábra: maximális Ciklusnyomás vs. térfogati tömörítési arány

a tömörítési arány 8-ról 11-re történő felvételekor például a maximális ciklusnyomást alig 9 Mpa-ról majdnem 12,5 Mpa-ra növeltük.

Ezen túlmenően, ahogy növeljük a tömörítési arányt, a kompressziós folyamat utáni megnövekedett nyomás és hőmérséklet növeli a dízelezés valószínűségét, amely olyan helyzetet ír le, amelyben az üzemanyag önmagában meggyullad, mielőtt a gyújtószikrát alkalmazzák. Ez ellentmond annak a feltételezésnek, hogy a gyújtás (és így az égés) akkor következik be, amikor a dugattyú izochorikus alsó holtpont helyzetben van. Ezenkívül ténylegesen motorkárosodást okozhat, ha az égés még azelőtt megtörténik, hogy a dugattyú befejezte volna a kompressziós folyamatot, és a dugattyú biztonsági mentését kényszeríti, mielőtt a forgattyútengely a megfelelő helyzetbe forogna (még mielőtt a 3.ábrán látható tájolástól a 4. ábrán látható tájolásig).

CyclePad tervezési fájlok

töltse le az Otto ciklus CyclePad kialakítását.

kapcsolódó bejegyzések

• Dízel ciklus
• Rankine ciklus tervezése

források

Whalley, P. B. 1992. Alapvető Mérnöki Termodinamika.Oxford University Press. ISBN: 0-19-856255-1

van Wylen, Sonntag, Borgnakke. 1994. A klasszikus termodinamika alapjai, 4. kiadás.John Wiley és fiai. ISBN: 0-471-59395-8

menj

vagy