cel

przyglądamy się projektowi cyklu Otto i temu, w jaki sposób można poprawić jego wydajność poprzez zmianę współczynnika sprężania objętościowego. Cykl Otto-cykl zamknięty (w którym układ jest masą kontrolną), powszechnie stosowany do modelowania cylindrów silników o zapłonie iskrowym, spalinowych, samochodowych, tj. benzynowych.

ogólna Idea

cyklu Otto jest bardzo podobna do cyklu Diesla, ponieważ oba są cyklami zamkniętymi powszechnie stosowanymi do modelowania silników spalinowych. Różnica między nimi polega na tym, że cykl Otto jest cyklem z zapłonem iskrowym, a nie cyklem z zapłonem samoczynnym, takim jak cykl Diesla. Cykle zapłonu iskrowego są przeznaczone do stosowania paliw, które wymagają iskry do rozpoczęcia spalania.

etapy cykli Otto

cykle Otto mają cztery etapy: rozprężanie, chłodzenie, sprężanie i spalanie.

	Rysunek 1:	ekspansja: w cyklu Otto paliwo jest spalane w celu podgrzania sprężonego powietrza, a gorący gaz rozszerza się, zmuszając tłok do poruszania się w górę w cylindrze. To właśnie w tej fazie cykl przyczynia się do jego użytecznej pracy, obracając wał korbowy samochodu. Przyjmujemy idealne założenie, że ten etap w idealnym cyklu Otto jest izentropowy. tłok: przesunięcie od dolnego martwego środka do górnego martwego środka.
	Rysunek 2: górny martwy środek podczas chłodzenia	chłodzenie: następnie rozprężone powietrze jest chłodzone do warunków otoczenia. W prawdziwym silniku samochodowym odpowiada to wyczerpaniu powietrza z silnika do środowiska i zastąpieniu go świeżym powietrzem. Ponieważ dzieje się tak, gdy tłok znajduje się w górnej martwej pozycji środkowej w cyklu i nie porusza się, mówimy, że proces ten jest izochoryczny (bez zmiany objętości). tłok: na górze martwy środek.
	Rysunek 3: przesunięcie w dół podczas kompresji	Kompresja: przygotowując się do dodawania ciepła do powietrza, następnie ściskamy je przesuwając tłok w dół cylindra. To właśnie w tej części cyklu przyczyniamy się do pracy w powietrzu. W idealnym cyklu Otto kompresja ta jest uważana za izentropową. na tym etapie ustawiamy objętościowy współczynnik kompresji, r, który jest stosunkiem objętości płynu roboczego przed procesem kompresji do jego objętości po. Okaże się, że sprawność cyklu Otto (przy założeniu, że powietrze jest gazem idealnym) można w pełni opisać pod kątem tego stosunku. tłok: przesuwamy się od góry do dołu.
	Rysunek 4: dolny martwy środek podczas spalania	spalanie: następnie ciepło jest dodawane do powietrza przez spalanie paliwa, gdy tłok znajduje się w dolnej martwej pozycji środkowej. Spalanie nie jest inicjowane, dopóki w cylindrze nie zostanie wygenerowana iskra (na przykład ze świecy zapłonowej). Ponieważ tłok jest zasadniczo nieruchomy podczas tej części cyklu, mówimy, że dodawanie ciepła jest izochoryczne, podobnie jak proces chłodzenia. tłok: na dole martwy środek.

Diagram P-v

diagram P-V dla cyklu Otto przedstawiono poniżej.

Rysunek 5: schemat P-v cyklu Otto

przykładowy projekt cyklu Otto

Oświadczenie o problemie

dla celów ilustracji Zakładamy, że chcemy zaprojektować cykl Otto, który pobiera 1 KG powietrza w warunkach otoczenia 15°C i 100kPa, kompresuje go do jednej ósmej jego pierwotnej objętości i dodaje 1800kj ciepła do niego w procesie spalania. Z tym, co wiemy o cyklach Otto, to wszystko, czego potrzebujemy, aby w pełni opisać problem.

implementacja cyklu

Poniżej znajduje się możliwy projekt cyklu cyklu Otto.

Rysunek 6: cykl Otto w cyklu cyklu

płyn roboczy

We najczęstszym płynem roboczym w cyklu Otto jest powietrze, ponieważ jest to najtańsza rzecz, w której można palić benzynę. Możemy wybrać powietrze jako nasz płyn roboczy jako powietrze, wybierając je jako substancję w oknie licznika dowolnych rzeczy.

opis etapów cyklu

pokrótce przyjrzymy się każdemu statepointowi i procesowi cyklu Otto, w którym należy wprowadzić założenia projektowe, wyszczególniając każde założenie. Jak widać na przykładzie ograniczeń konstrukcyjnych, aby opisać idealny cykl Otto, trzeba podać bardzo niewiele liczb. Pozostałe założenia są ustalane poprzez zastosowanie podstawowej wiedzy o cyklu. Zasadą numerycznej decyzji projektowej jest stopień sprężania.

właściwości cyklu

w pozycji menu cykl możemy wywołać okno miernik właściwości cyklu. Jedynym koniecznym założeniem jest tutaj, że cykl jest silnikiem cieplnym (urządzeniem do konwersji ciepła do pracy), dzięki czemu CyclePad wie, jak ocenić jego sprawność.

Pre-Expansion (S1)

nie ma tutaj niezbędnych specyfikacji, chociaż jest to równie dobre miejsce, aby określić płyn roboczy jako powietrze.

proces ekspansji (EXP1)

ponieważ analizujemy idealny cykl Otto, Zakładamy, że ekspansja jest izentropowa. Gdybyśmy wiedzieli, ile strat ciepła wystąpiło w procesie ekspansji i jakie prace zostały wykonane, moglibyśmy określić je tutaj, aby modelować nie idealny proces ekspansji.

wydech (po rozbudowie) (S2)

nie ma tutaj niezbędnych specyfikacji. Tutaj uwalniamy zużyte powietrze do środowiska.

proces chłodzenia (CLG1)

ponieważ wymiana zużytego powietrza na świeże powietrze następuje, gdy tłok znajduje się w górnej martwej pozycji środkowej, Zakładamy, że proces chłodzenia jest izochoryczny.

sprężanie wstępne (S3)

w tym momencie mamy powietrze wchodzące do cylindra w warunkach otoczenia, więc zakładamy, że temperatura t wynosi 15% deg;C, a ciśnienie 100 kPa, jak określono w oświadczeniu o problemie.

proces kompresji (CMP1)

tutaj Zakładamy ZARÓWNO, że kompresja dla naszego idealnego cyklu Otto jest izentropowa, jak i że nasz współczynnik kompresji wynosi 8, jak podano w instrukcji problemu.

po kompresji (S4)

nie ma tutaj niezbędnych specyfikacji.

proces spalania (HTG1)

tutaj Zakładamy, że ogrzewanie (które ma miejsce, gdy tłok jest w dolnym martwym środku i nie porusza się, podobnie jak chłodzenie) jest izochoryczne, a także Zakładamy, że ciepło dodane (Q) wynosi 1800 kJ.

sprawność cyklu Otto

możemy ponownie spojrzeć w oknie miernika właściwości cyklu, aby zobaczyć, że sprawność cieplna cyklu Otto, który zbudowaliśmy, wynosi około 57,5%.

Rysunek 7: właściwości cyklu

okazuje się, że sprawność cieplną cyklu Otto można wyrazić w kategoriach objętościowego stopnia sprężania. Oznacza to:

h =

Qin – Qout —– Qin

= 1 – 1/(rk-1)

gdzie k jest współczynnikiem ciepła właściwego ( = CP / CV).

więc możemy poprawić wydajność cyklu poprzez zwiększenie współczynnika kompresji. Poniższy rysunek przedstawia zależność graficznie.

Rysunek 8: wydajność cyklu a objętościowy współczynnik kompresji

Jeśli więc mielibyśmy zmienić wartość r na 10, nasza wydajność cyklu zwiększyłaby się do ponad 60%, co stanowi znaczną poprawę.

nasuwa się oczywiste pytanie: Dlaczego nie ustawić współczynnika kompresji na coś bardzo dużego, aby uzyskać najwyższą wydajność? Odpowiedź jest dwojaka. Po pierwsze, nasz współczynnik kompresji jest ograniczony przez ograniczenia mechaniczne w systemie. Jeśli ciśnienie w cylindrze jest zbyt wysokie, szansa na złamanie tłoka, cylindra lub innej części silnika. Na przykład łożyska są podatne na awarie w silnikach samochodowych o zbyt wysokim współczynniku sprężania. Poniższy wykres pokazuje zależność między maksymalnym ciśnieniem cyklu a stopniem sprężania.

Rysunek 9: maksymalne Ciśnienie w cyklu vs.objętościowy Stopień sprężania

przyjmując na przykład stopień sprężania od 8 do 11, zwiększyliśmy maksymalne Ciśnienie w cyklu z nieco poniżej 9 MPa do prawie 12,5 MPa.

ponadto, gdy zwiększamy stopień sprężania, zwiększone ciśnienie i temperatura po procesie sprężania zwiększa prawdopodobieństwo dieselingu, co opisuje sytuację, w której paliwo zapala się samo, zanim zostanie uruchomiona Iskra zapłonowa. Koliduje to z naszym założeniem, że zapłon (a tym samym spalanie) ma miejsce, gdy tłok znajduje się w izochorycznej dolnej martwej pozycji środkowej. Ponadto może to spowodować uszkodzenie silnika, gdy spalanie ma miejsce jeszcze przed zakończeniem procesu sprężania tłoka i zmusza tłok do podtrzymania, zanim wał korbowy obróci się do właściwej pozycji (zanim przejdzie z orientacji pokazanej na fig.3 do orientacji na fig. 4).

pliki do projektowania Cyklepadów

Pobierz projekt Cyklepada cyklu Otto.

podobne wpisy

• cykl Diesla
• projektowanie cyklu Rankine

Źródła

Podstawy Termodynamiki Inżynierskiej.Oxford University Press. ISBN: 0-19-856255-1

Van Wylen, Sonntag, Borgnakke. 1994. Podstawy termodynamiki klasycznej. wydanie 4.John Wiley i synowie. ISBN: 0-471-59395-8

przejdź do

lub