doel

we kijken naar het ontwerp van een Otto-cyclus en hoe de prestaties kunnen worden verbeterd door de volumetrische compressieverhouding te wijzigen. De Otto-cyclus een gesloten cyclus (waarbij het systeem een regelmassa is), vaak gebruikt om de cilinders van vonkontsteking, interne verbranding, auto-motoren, dat wil zeggen benzinemotoren te modelleren.

het algemene idee

de Otto-cyclus lijkt sterk op de Dieselcyclus omdat beide gesloten cycli zijn die gewoonlijk worden gebruikt om verbrandingsmotoren te modelleren. Het verschil tussen hen is dat de Otto-cyclus een vonkontstekingscyclus is in plaats van een compressieontstekingscyclus zoals de Dieselcyclus. Vonkontstekingscycli zijn ontworpen om brandstoffen te gebruiken waarvoor een vonk nodig is om met de verbranding te beginnen.

fasen van Otto cycli

Otto cycli hebben vier fasen: uitzetting, koeling, compressie en verbranding.

	figuur 1: tijdens expansie	expansie: in de Otto-cyclus wordt brandstof verbrand om perslucht te verwarmen en zet het hete gas uit waardoor de zuiger in de cilinder omhoog gaat. Het is in deze fase dat de cyclus zijn nuttige werk bijdraagt, het roteren van de auto krukas. We maken de ideale aanname dat deze fase in een ideale Otto-cyclus isentropisch is. zuiger: verplaatsen van het onderste dode midden naar het bovenste dode Midden.
	Figuur 2: bovenste dode kern tijdens koeling	koeling: vervolgens wordt de geëxpandeerde lucht afgekoeld tot omgevingsomstandigheden. In een echte Auto motor, Dit komt overeen met het uitputten van de lucht van de motor naar de omgeving en het vervangen door frisse lucht. Aangezien dit gebeurt wanneer de zuiger op de bovenste dode middenpositie in de cyclus staat en niet beweegt, zeggen we dat dit proces isochorisch is (geen verandering in volume). zuiger: in het bovenste dode Midden.
Figuur 3: naar beneden tijdens compressie	compressie: ter voorbereiding op het toevoegen van warmte aan de lucht, comprimeren we deze vervolgens door de zuiger naar beneden te bewegen in de cilinder. Het is in dit deel van de cyclus dat we werk bijdragen aan de lucht. In de ideale Otto-cyclus wordt deze compressie als isentropisch beschouwd. het is in dit stadium dat we de volumetrische compressieverhouding instellen, r die de verhouding is van het volume van de werkvloeistof vóór het compressieproces tot het volume erna. Het zal blijken dat de efficiëntie van de Otto-cyclus (ervan uitgaande dat lucht een ideaal gas is) volledig in termen van deze verhouding kan worden beschreven. zuiger: ik ga van boven naar beneden.
Figuur 4: dode kern tijdens verbranding	verbranding: vervolgens wordt warmte aan de lucht toegevoegd door verbranding van brandstof wanneer de zuiger zich in de dode kern bevindt. Verbranding wordt pas gestart als er een vonk (van een bougie, bijvoorbeeld) in de cilinder wordt gegenereerd. Omdat de zuiger in wezen immobiel is tijdens dit deel van de cyclus, zeggen we dat de warmte-toevoeging isochorisch is, zoals het koelproces. zuiger: onderaan in het midden.

p-v-Diagram

het P-v-diagram voor een Otto-cyclus wordt hieronder weergegeven.

Figuur 5: Otto cyclus P-v diagram

voorbeeld Otto cyclus ontwerp

probleemstelling

ter illustratie gaan we ervan uit dat we een Otto cyclus willen ontwerpen die 1kg lucht neemt bij omgevingsomstandigheden van 15°C en 100kPa, deze comprimeert tot een achtste van het oorspronkelijke volume en er 1800kJ warmte aan toevoegt in het verbrandingsproces. Met wat we weten over Otto cycli, is dat alles wat we nodig hebben om het probleem volledig te beschrijven.

CyclePad implementation

Hieronder is een mogelijk CyclePad-ontwerp van een Otto-cyclus.

Figuur 6: Otto-cyclus in CyclePad

de werkvloeistof

we de meest voorkomende werkvloeistof voor een Otto-cyclus is lucht, omdat het de goedkoopste manier is om benzine te verbranden. We kunnen lucht kiezen als onze werkvloeistof als lucht door het te selecteren als de stof in het metervenster van elk spul.

beschrijving van de fasen van de cyclus

We zullen kort elk statepunt en proces van de Otto-cyclus onderzoeken waar ontwerpaannames moeten worden gemaakt, waarbij elke aanname gedetailleerd wordt beschreven. Zoals we kunnen zien in het voorbeeld ontwerpbeperkingen, zeer weinig cijfers moeten worden gespecificeerd om een ideale Otto cyclus te beschrijven. De rest van de veronderstellingen worden bepaald door het toepassen van achtergrondkennis over de cyclus. Het principe numerieke ontwerp beslissing is de compressieverhouding.

Cycle Properties

in het menu-item Cycle kunnen we het venster Cycle Properties meter oproepen. De enige vereiste veronderstelling hier is dat de cyclus is een warmtemotor (een apparaat om warmte om te zetten in het werk), zodat CyclePad weet hoe de efficiëntie te evalueren.

Pre-Expansion (S1)

geen noodzakelijke specificaties hier, hoewel het een goede plaats is om de werkvloeistof te specificeren die lucht moet zijn.

uitbreidingsproces (EXP1)

omdat we een ideale Otto-cyclus analyseren, gaan we ervan uit dat de uitbreiding isentropisch is. Als we wisten hoeveel warmteverlies optrad in de uitbreiding en het werk dat het produceerde, zouden we die hier kunnen specificeren om een niet-ideaal uitbreidingsproces te modelleren.

uitlaat (na expansie) (S2)

hier zijn geen specificaties nodig. Hier geven we de gebruikte lucht vrij aan het milieu.

koelproces (CLG1)

aangezien de vervanging van verbruikte lucht door verse lucht plaatsvindt wanneer de zuiger zich op de bovenste dode middenpositie bevindt, nemen we aan dat het koelproces isochorisch is.

Precompressie (S3)

op dit punt hebben we lucht die de cilinder binnenkomt bij omgevingsomstandigheden, dus we gaan ervan uit dat de temperatuur T 15% graden C is en de druk 100 kPa is, zoals aangegeven in de probleemopgave.

compressieproces (CMP1)

hier gaan we ervan uit dat de compressie voor de ideale Otto-cyclus isentropisch is en dat onze compressieverhouding 8 is, zoals aangegeven in de probleemstelling.

Postcompressie (S4)

hier zijn geen specificaties nodig.

verbrandingsproces (HTG1)

hier gaan we ervan uit dat de verwarming (die plaatsvindt terwijl de zuiger zich in het midden van de bodem bevindt en niet beweegt, vergelijkbaar met de koeling) isochorisch is en we nemen ook aan dat de toegevoegde warmte (Q) 1800 kJ is.

Otto cyclus efficiëntie

we kunnen opnieuw kijken in het venster van de cyclus eigenschappen meter om te zien dat de thermische efficiëntie van de Otto cyclus die we hebben gebouwd is ongeveer 57,5%.

Figuur 7: Cycluseigenschappen

het blijkt dat de thermische efficiëntie van de Otto-cyclus kan worden uitgedrukt in termen van de volumetrische compressieverhouding. Dat wil zeggen:

Qin – Qout

—–

Qin

h =	= 1 – 1/(rk-1)

waarbij k de soortelijke warmteverhouding is ( = CP / CV).

zodat we de efficiëntie van de cyclus kunnen verbeteren door de compresieverhouding te verhogen. De volgende figuur toont de relatie grafisch.

Figuur 8: Cyclusefficiëntie Versus volumetrische compressieverhouding

dus als we de waarde van r naar 10 zouden veranderen, zou onze cyclusefficiëntie toenemen tot meer dan 60%, wat een significante verbetering is.

Dit roept de voor de hand liggende vraag op: waarom zet je de compressieverhouding niet op iets heel groot om de hoogste efficiëntie te krijgen? Het antwoord is tweeledig. Ten eerste wordt onze compressieverhouding beperkt door mechanische beperkingen in het systeem. Als de druk in de cilinder te hoog is, de kans op het breken van de zuiger, de cilinder, of een ander deel van de motor. Bijvoorbeeld, lagers zijn gevoelig voor storingen in auto-motoren draaien met te hoge compressieverhoudingen. De grafiek hieronder toont de relatie tussen de maximale cyclusdruk en de compressieverhouding.

figuur 9: maximale Cyclusdruk Versus volumetrische compressieverhouding

bij het nemen van de compressieverhouding van 8 tot 11 hebben we bijvoorbeeld de maximale cyclusdruk verhoogd van iets minder dan 9 Mpa tot bijna 12,5 Mpa.

bovendien, naarmate we de compressieverhouding verhogen, verhoogt de verhoogde druk en temperatuur na het compressieproces de kans op dieselvorming, wat een situatie beschrijft waarin de brandstof vanzelf ontbrandt voordat de ontstekingsvonk wordt toegepast. Dit conflicteert met onze aanname dat ontsteking (en dus verbranding) plaatsvindt wanneer de zuiger zich op de isochorische bodem dode middenpositie bevindt. Bovendien kan het daadwerkelijk resulteren in motorschade waar de verbranding plaatsvindt nog voordat de zuiger klaar is om door het compressieproces te komen en dwingt de zuiger back-up voordat de krukas is gedraaid naar de juiste positie (voordat het is gegaan van de oriëntatie in figuur 3 naar die in Figuur 4).

CyclePad-ontwerpbestanden

Download het CyclePad-ontwerp van de Otto-cyclus.

verwante vermeldingen

• Dieselcyclus
• ontwerp van een Rankinecyclus

bronnen

Whalley, P. B. 1992. Basic Engineering Thermodynamica.Oxford University Press. ISBN: 0-19-856255-1

van Wylen, Sonntag, Borgnakke. 1994. Fundamentals of Classical Thermodynamics, 4e editie.John Wiley and Sons. ISBN: 0-471-59395-8

Ga naar

or