Obiettivo

Esaminiamo la progettazione di un ciclo Otto e come le sue prestazioni possono essere migliorate modificando il rapporto di compressione volumetrico. Il ciclo Otto un ciclo chiuso (dove il sistema è una massa di controllo), comunemente usato per modellare i cilindri di accensione a scintilla, combustione interna, motori di automobili, cioè motori a benzina.

L’idea generale

Il ciclo Otto è molto simile al ciclo Diesel in quanto entrambi sono cicli chiusi comunemente usati per modellare motori a combustione interna. La differenza tra loro è che il ciclo Otto è un ciclo di accensione a scintilla invece di un ciclo di accensione per compressione come il ciclo Diesel. I cicli di accensione a scintilla sono progettati per utilizzare combustibili che richiedono una scintilla per iniziare la combustione.

Fasi dei cicli Otto

I cicli Otto hanno quattro fasi: espansione, raffreddamento, compressione e combustione.

	Figura 1: salendo durante l’espansione	Espansione: Nel ciclo Otto, il carburante viene bruciato per riscaldare l’aria compressa e il gas caldo si espande costringendo il pistone a salire nel cilindro. È in questa fase che il ciclo contribuisce al suo lavoro utile, ruotando l’albero motore dell’automobile. Facciamo l’ipotesi ideale che questa fase in un ciclo Otto ideale sia isentropica. Pistone: spostamento dal punto morto inferiore al punto morto superiore.
	Figura 2: punto morto superiore durante il raffreddamento	Raffreddamento: Successivamente, l’aria espansa viene raffreddata in condizioni ambientali. In un vero motore di un’automobile, ciò corrisponde all’esaurimento dell’aria dal motore all’ambiente e alla sua sostituzione con aria fresca. Poiché ciò accade quando il pistone si trova nella posizione del punto morto superiore nel ciclo e non si muove, diciamo che questo processo è isocorico (nessuna variazione di volume). Pistone: al punto morto superiore.
	Figura 3: spostamento verso il basso durante la compressione	Compressione: In preparazione per aggiungere calore all’aria, lo comprimiamo successivamente spostando il pistone lungo il cilindro. È in questa parte del ciclo che contribuiamo a lavorare per l’aria. Nel ciclo Otto ideale, questa compressione è considerata isentropica. È in questa fase che impostiamo il rapporto di compressione volumetrico, r che è il rapporto tra il volume del fluido di lavoro prima del processo di compressione e il suo volume dopo. Si scoprirà che l’efficienza del ciclo Otto (supponendo che l’aria sia un gas ideale) può essere descritta interamente in termini di questo rapporto. Pistone: passando dal punto morto superiore al punto morto inferiore.
	Figura 4: punto morto inferiore durante la combustione	Combustione: Successivamente, il calore viene aggiunto all’aria dalla combustione del carburante quando il pistone si trova nella posizione del punto morto inferiore. La combustione non viene avviata fino a quando non viene generata una scintilla (da una candela, ad esempio) nel cilindro. Poiché il pistone è essenzialmente immobile durante questa parte del ciclo, diciamo che l’aggiunta di calore è isocorica, come il processo di raffreddamento. Pistone: in basso punto morto.

Diagramma P-v

Il diagramma P-v per un ciclo Otto è mostrato di seguito.

Figura 5: Ciclo Otto diagramma P-v

Esempio a Ciclo Otto Design

Problema Economico

Per scopi di illustrazione, si suppone che vogliamo progettare un ciclo Otto che prende 1 kg di aria a temperatura ambiente di 15°C e 100kPa, comprime in un ottavo del suo volume iniziale e aggiunge 1800kJ di calore nel suo processo di combustione. Con quello che sappiamo su Otto cycles, questo è tutto ciò di cui abbiamo bisogno per descrivere completamente il problema.

Implementazione CyclePad

Di seguito è riportato un possibile progetto CyclePad di un ciclo Otto.

Figura 6: Ciclo Otto in CyclePad

il fluido di lavoro

Noi il fluido di lavoro più comune per un ciclo Otto è l’aria, poiché è la cosa più economica in cui bruciare benzina. Possiamo scegliere l’aria come il nostro fluido di lavoro come aria selezionandola come sostanza nella finestra del misuratore di qualsiasi roba.

Descrizione delle fasi del ciclo

Esamineremo brevemente ogni statepoint e processo del ciclo Otto in cui devono essere fatte le ipotesi di progettazione, dettagliando ogni ipotesi. Come possiamo vedere dai vincoli di progettazione di esempio, è necessario specificare pochissimi numeri per descrivere un ciclo Otto ideale. Il resto delle ipotesi è determinato applicando conoscenze di base sul ciclo. La decisione di progettazione numerica di principio è il rapporto di compressione.

Proprietà ciclo

Sotto la voce di menu Ciclo, possiamo richiamare la finestra del misuratore Proprietà ciclo. L’unica ipotesi necessaria qui è che il ciclo sia un motore termico (un dispositivo per convertire il calore in lavoro) in modo che CyclePad sappia come valutare la sua efficienza.

Pre-espansione (S1)

Nessuna specifica necessaria qui, anche se è un buon posto come qualsiasi per specificare il fluido di lavoro per essere aria.

Processo di espansione (EXP1)

Poiché stiamo analizzando un ciclo Otto ideale, assumiamo che l’espansione sia isentropica. Se sapessimo quanta perdita di calore si è verificata nell’espansione e il lavoro che ha prodotto, potremmo essere in grado di specificare quelli qui invece di modellare un processo di espansione non ideale.

Scarico (post-espansione) (S2)

Nessuna specifica necessaria qui. Questo è dove rilasciamo l’aria usata per l’ambiente.

Processo di raffreddamento (CLG1)

Poiché la sostituzione dell’aria esausta con aria fresca avviene quando il pistone si trova nella sua posizione di punto morto superiore, assumiamo che il processo di raffreddamento sia isocorico.

Pre-compressione (S3)

A questo punto, abbiamo aria che entra nel cilindro in condizioni ambientali, quindi assumiamo che la temperatura t sia 15% deg;C e la pressione sia 100 kPa, come specificato nella dichiarazione del problema.

Processo di compressione (CMP1)

Qui assumiamo sia che la compressione per il ciclo Otto ideale sia isentropica e che il nostro rapporto di compressione sia 8, come indicato nella dichiarazione del problema.

Post-compressione (S4)

Nessuna specifica necessaria qui.

Processo di combustione (HTG1)

Qui assumiamo che il riscaldamento (che avviene mentre il pistone è al centro morto inferiore e non si muove, simile al raffreddamento) sia isocorico e assumiamo anche che il calore aggiunto (Q) sia di 1800 kJ.

Efficienza del ciclo Otto

Possiamo guardare di nuovo nella finestra del misuratore delle proprietà del ciclo per vedere che l’efficienza termica del ciclo Otto che abbiamo costruito è di circa il 57,5%.

Figura 7: Proprietà del ciclo

Si scopre che l’efficienza termica del ciclo Otto può essere espressa in termini di rapporto di compressione volumetrico. Che è:

h =

Qin – Qout —– Q

= 1 – 1/(rk-1)

dove k è il calore specifico rapporto ( = Cp / Cv).

Quindi possiamo migliorare l’efficienza del ciclo aumentando il rapporto di compressione. La figura seguente mostra graficamente la relazione.

Figura 8: Efficienza del ciclo rispetto al rapporto di compressione volumetrico

Quindi, se dovessimo cambiare il valore di r a 10, la nostra efficienza del ciclo aumenterebbe a oltre il 60%, il che è un miglioramento significativo.

Questo pone l’ovvia domanda: perché non impostare il rapporto di compressione su qualcosa di molto grande per ottenere la massima efficienza? La risposta è duplice. Innanzitutto, il nostro rapporto di compressione è limitato da vincoli meccanici nel sistema. Se la pressione nel cilindro è troppo alta, la possibilità di rompere il pistone, il cilindro o qualche altra parte del motore. Ad esempio, i cuscinetti sono soggetti a guasti nei motori di automobili con rapporti di compressione eccessivamente elevati. Il grafico seguente mostra la relazione tra la pressione massima del ciclo e il rapporto di compressione.

Figura 9: Pressione massima del ciclo rispetto al rapporto di compressione volumetrico

Prendendo il rapporto di compressione da 8 a 11, ad esempio, abbiamo aumentato la pressione massima del ciclo da poco meno di 9 Mpa a quasi 12,5 Mpa.

Inoltre, aumentando il rapporto di compressione, l’aumento della pressione e della temperatura dopo il processo di compressione aumenta la probabilità di dieseling, che descrive una situazione in cui il carburante si accende da solo, prima che venga applicata la scintilla di accensione. Ciò è in conflitto con la nostra ipotesi che l’accensione (e quindi la combustione) avvenga quando il pistone si trova nella posizione del punto morto inferiore isocorico. Inoltre, può effettivamente causare danni al motore in cui la combustione avviene anche prima che il pistone abbia finito di attraversare il processo di compressione e forza il backup del pistone prima che l’albero motore abbia ruotato nella posizione corretta (prima che sia passato dall’orientamento mostrato in figura 3 a quello in figura 4).

CyclePad Design Files

Scarica il CyclePad design del ciclo Otto.

Voci correlate

• Ciclo diesel
• Progettazione di un ciclo Rankine

Fonti

Whalley, PB 1992. Ingegneria di base Termodinamica.Oxford University Press. ISBN: 0-19-856255-1

Van Wylen, Sonntag, Borgnakke. 1994. Fondamenti di Termodinamica Classica, 4a edizione.John Wiley e Figli. ISBN: 0-471-59395-8

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