CyclePadデザインライブラリ
目標
オットーサイクルの設計と、体積圧縮比 オットーサイクル一般的に火花点火、内燃機関、自動車エンジン、すなわちガソリンエンジンのシリンダーをモデル化するために使用される閉じたサイク
一般的な考え方
オットーサイクルは、両方が一般的に内燃機関をモデル化するために使用される閉じたサイクルであるという点で、ディーゼルサイク それらの違いは、オットーサイクルがディーゼルサイクルのような圧縮点火サイクルではなく火花点火サイクルであることです。 火花点火サイクルは、燃焼を開始するために火花を必要とする燃料を使用するように設計されています。
オットーサイクルのステージ
オットーサイクルには、膨張、冷却、圧縮、燃焼の四つの段階があります。
 図1: 膨張中に上昇する |
膨張：オットーサイクルでは、燃料が燃焼されて圧縮空気が加熱され、熱いガスが膨張し、ピストンがシリンダー内を移動 この段階では、サイクルが有用な作業に寄与し、自動車のクランクシャフトを回転させます。 我々は、理想的なオットーサイクルにおけるこの段階が等エントロピーであるという理想的な仮定をする。 ピストン：下死点から上死点に移動する。 |
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図2：冷却中の上死点 |
冷却中の上死点 |
冷却中の上死点 |
冷却中の上死点 |
冷却中の上死点 |
:次に、膨張した空気を周囲条件に冷却する。 実際の自動車のエンジンでは、これはエンジンから環境に空気を排出し、新鮮な空気に置き換えることに対応します。 これはピストンが周期の上死点の位置にあり、動いていないとき起こるので、私達はこのプロセスがisochoric（容積の変更無し）であることを言います。 ピストン：上死点。 |
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 図3:圧縮中に下に移動 |
圧縮中に下に移動 |
圧縮中に下に移動 |
圧縮中に下に移動 |
圧縮中に下に移動 |
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 図4：燃焼中の下死点 |
燃焼：次に、ピストンが下死点位置にあるときに燃料燃焼によって空気に熱が追加されます。 燃焼は（例えば点火プラグからの）火花がシリンダーで発生するまで始められません。 ピストンはサイクルのこの部分の間に本質的に不動であるので、我々は熱添加が冷却プロセスのように等温であると言う。 ピストン：下死点。 |
P-vダイアグラム
オットーサイクルのp-vダイアグラムを以下に示します。
図5:オットーサイクルp-v図
オットーサイクル設計の例
問題文
説明のために、15°Cと100kpaの周囲条件で1kgの空気を取り、元の体積の八分の一に圧縮し、追加するオットーサイクルを設計したいと仮定します。燃焼プロセスのそれへの熱の1800kj。 Otto cyclesについて私たちが知っていることで、問題を完全に説明するために必要なのはそれだけです。
CyclePadの実装
以下は、オットーサイクルの可能なCyclePadの設計です。
図6：CyclePadのオットーサイクル
作動流体
私たちは、オットーサイクルのための最も一般的な作動流体は、空気です。 私達はあらゆる原料のメートルの窓の物質としてそれを選ぶことによって空気として私達の作動流体として空気を選んでもいいです。
サイクルステージの説明
設計仮定を行う必要があるオットーサイクルの各ステートポイントとプロセスを簡単に検討し、各仮定を詳述します。 設計制約の例からわかるように、理想的なオットーサイクルを記述するために指定する必要がある数は非常に少ないです。 残りの仮定は、サイクルに関する背景知識を適用することによって決定されます。 原理的な数値設計決定は圧縮比である。
Cycle Properties
Cycleメニュー項目の下で、Cycle Properties meterウィンドウを呼び出すことができます。 ここで必要な唯一の仮定は、サイクルが熱エンジン（熱を仕事に変換する装置）であるため、CyclePadはその効率を評価する方法を知っているということです。
Pre-Expansion(S1)
ここでは必要な仕様はありませんが、作動流体を空気であると指定するのはどのような場所でも良いです。
展開プロセス(EXP1)
理想的なオットーサイクルを分析しているので、展開は等エントロピーであると仮定します。 膨張とそれが生成した作業でどれだけの熱損失が発生したかを知っていれば、非理想的な膨張プロセスをモデル化する代わりに、ここでそれらを指
排気（後拡張）（S2）
ここでは必要な仕様はありません。 これは私達が環境に使用された空気を解放するところである。
冷却プロセス(CLG1)
ピストンが上死点位置にあるときに使用済み空気を新鮮な空気に置き換えることが起こるので、冷却プロセスは等温であると仮定します。
Pre-Compression(S3)
この時点で、周囲条件でシリンダーに空気が入るので、問題の声明で指定されているように、温度tを15％deg;C、圧力を100kPaと仮定します。
圧縮プロセス(CMP1)
ここでは、理想的なオットーサイクルの圧縮は等エントロピーであり、問題文で与えられたように、圧縮比は8であると仮定します。
圧縮後(S4)
ここでは必要な仕様はありません。
燃焼プロセス（HTG1）
ここでは、加熱（ピストンが下死点にあり、冷却と同様に動いていない間に起こる）が等温であり、追加された熱（Q）が1800kJであると仮定
オットーサイクル効率
サイクルプロパティメーターウィンドウをもう一度見て、オットーサイクルの熱効率が約57.5%であることを確認できます。
図7：サイクル特性
オットーサイクルの熱効率は、体積圧縮比で表すことができることが判明しました。 P>————————————————————————–ここで、kは比熱比（=cp/cv）です。
だから我々は圧縮率を高めることによってサイクルの効率を向上させることができます。 次の図は、関係をグラフィカルに示しています。
図8:サイクル効率対体積圧縮比
だから、rの値を10に変更すると、サイクル効率は60％以上に増加し、これは大幅に改善されます。
これは明白な質問を頼む：最高の効率を得るために圧縮比を非常に大きなものに設定しないのはなぜですか？ 答えは二重です。 まず，圧縮比はシステム内の機械的制約によって制限される。 シリンダー内の圧力が高すぎる場合は、ピストン、シリンダー、またはエンジンの他の部分を壊す可能性があります。 例えば、軸受は、過度に高い圧縮比で動作する自動車エンジンの故障になりやすいです。 下のプロットは、最大サイクル圧力と圧縮比の関係を示しています。
図9：最大サイクル圧力対体積圧縮比
圧縮比を8から11にすると、例えば、最大サイクル圧力を9Mpa以下からほぼ12.5Mpaに増加させ
また、圧縮比を上げると、圧縮後の圧力と温度が上昇すると、点火火花が適用される前に燃料が単独で点火する状況を記述するダイセリングの可能性が高くなります。 これは、ピストンが等位下死点位置にあるときに点火（したがって燃焼）が起こるという仮定と矛盾する。 さらに、実際には、ピストンが圧縮プロセスを経てクランクシャフトが適切な位置に回転する前（図3に示す向きから図4に示す向きになる前）に、ピストンが圧縮プロセスを通過し、ピストンバックアップを強制する前でさえ、燃焼が行われるエンジンの損傷を引き起こす可能性がある。
CyclePadデザインファイル
Otto cycleのCyclePadデザインをダウンロードします。
関連エントリ
- ディーゼルサイクル
- ランキンサイクルの設計
ソース
Whalley、P.B.1992。 基本的な工学熱力学。オックスフォード大学出版局。 ISBN:0-19-856255-1
Van Wylen,Sonntag,Borgnakke. 1994. 古典的な熱力学の基礎、第4版。ジョン-ワイリー-アンド-サンズ ISBN:0-471-59395-8
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