Objetivo

Nós olhar para o design de um ciclo Otto e como o seu desempenho pode ser melhorada alterando a sua taxa de compressão volumétrica. O ciclo Otto é um ciclo fechado (onde o sistema é uma massa de controle), comumente usado para modelar os cilindros de ignição por faísca, combustão interna, motores de automóveis, ou seja, motores a gasolina.

a ideia geral

O Ciclo Otto é muito semelhante ao ciclo Diesel em que ambos são ciclos fechados comumente usados para modelar motores de combustão interna. A diferença entre eles é que o ciclo Otto é um ciclo de ignição por faísca em vez de um ciclo de ignição por compressão como o ciclo Diesel. Os ciclos de ignição por faísca são concebidos para utilizar combustíveis que requerem uma faísca para iniciar a combustão.os ciclos Otto têm quatro fases: expansão, arrefecimento, compressão e combustão.

	Figura 1: movendo – se durante a expansão	expansão: no ciclo Otto, o combustível é queimado para aquecer ar comprimido e o gás quente expande forçando o pistão a viajar para cima no cilindro. É nesta fase que o ciclo contribui com o seu trabalho útil, girando virabrequim do automóvel. Fazemos a suposição ideal de que esta etapa de um ciclo Otto ideal é isentrópica. P > pistão: moving from bottom dead center to top dead center.
	Figura 2: top dead center durante o resfriamento	Refrigeração:em seguida, o ar expandido é resfriado até as condições ambientais. Em um verdadeiro motor automóvel, isto corresponde a esgotar o ar do motor para o ambiente e substituí-lo por ar fresco. Uma vez que isso acontece quando o pistão está na posição do centro morto superior no ciclo e não está se movendo, dizemos que este processo é isocórico (nenhuma mudança no volume). P > pistão: at top dead center.
	Figura 3: descer durante a compressão	compressão:em preparação para adicionar calor ao ar, comprimimo-lo movendo o pistão para baixo do cilindro. É nesta parte do ciclo que contribuímos para o trabalho no ar. No ciclo Otto ideal, esta compressão é considerada isentrópica. é nesta fase que definimos a razão de compressão volumétrica, R que é a razão do volume do fluido de trabalho antes do processo de compressão para o seu volume depois. A eficiência do ciclo Otto (assumindo que o ar é um gás ideal) pode ser descrita inteiramente em termos desta razão.P > P > P > P > P > P > P > P > P > P: a mover-se do centro morto para o centro morto.
	Figura 4: bottom dead center durante a combustão	de Combustão: em seguida, o calor é adicionado ao ar pela combustão do combustível quando o êmbolo está no bottom dead center posição. A combustão não é iniciada até que uma faísca (de uma vela de ignição, por exemplo) é gerada no cilindro. Como o pistão é essencialmente imóvel durante esta parte do ciclo, dizemos que a adição de calor é isocórica, como o processo de refrigeração. P > pistão: no centro morto inferior.

p-v Diagrama

o diagrama P-v para um ciclo Otto é mostrado abaixo.

Figura 5: Ciclo Otto P-v diagrama

Exemplo de Ciclo Otto Design

Declaração do Problema

, Para fins de ilustração, vamos supor que queremos para a concepção de um ciclo Otto que leva 1kg de ar em condições ambientais temperatura de 15°C e 100kPa, comprime-o a um oitavo de seu volume original e adiciona 1800kJ de calor a ele em seu processo de combustão. Com o que sabemos sobre os ciclos Otto, é tudo o que precisamos para descrever completamente o problema.

Cyclepad implementation

Below is a possible CyclePad design of an Otto cycle.

Figura 6: Ciclo Otto em CyclePad

o fluido de trabalho

Nós o mais comum de trabalho do fluido para um ciclo Otto é o ar, pois é a coisa mais barata para queimar gasolina. Podemos escolher o ar como fluido de trabalho como ar, selecionando-o como a substância na janela do medidor de qualquer coisa.

Descrição das etapas do ciclo

vamos examinar brevemente cada ponto de estado e processo do ciclo Otto onde as suposições de projeto devem ser feitas, detalhando cada suposição. Como podemos ver a partir dos exemplos de restrições de design, muito poucos números precisam ser especificados para descrever um ciclo Otto ideal. O resto dos pressupostos são determinados pela aplicação de conhecimentos de base sobre o ciclo. A principal decisão de design numérico é a taxa de compressão.

propriedades do ciclo

no item do Menu ciclo, podemos chamar a janela do medidor de Propriedades do ciclo. A única suposição necessária aqui é que o ciclo é um motor de calor (um dispositivo para converter o calor para o trabalho) de modo que CyclePad sabe como avaliar a sua eficiência.

Pre-Expansion (S1)

No necessary specifications here, although it is as good a place as any to specify the working fluid to be air. processo de expansão (EXP1) uma vez que estamos analisando um ciclo Otto ideal, assumimos que a expansão é isentrópica. Se soubéssemos quanta perda de calor ocorreu na expansão e no trabalho que produziu, poderíamos ser capazes de especificar aqueles aqui em vez de modelar um processo de expansão Não-ideal.

Escape (pós-expansão) (S2)

não são necessárias especificações aqui. É aqui que libertamos o ar usado para o ambiente. processo de resfriamento (CLG1) desde que a substituição do ar gasto com ar fresco ocorre quando o pistão está em sua posição mais morta no centro, assumimos que o processo de resfriamento é isocórico.

pré-compressão (S3)

neste ponto, temos ar entrando no cilindro em condições ambientes, então assumimos a temperatura t ser 15% deg;C e a pressão ser 100 kPa, como especificado na declaração de problema.

processo de compressão (CMP1)

aqui assumimos que a compressão para o ciclo Otto ideal é isentrópica e que a nossa razão de compressão é 8, como indicado na declaração de problemas.

pós-compressão (S4)

não são necessárias especificações aqui.

processo de Combustão (HTG1)

aqui assumimos que o aquecimento (que ocorre enquanto o pistão está no centro morto inferior e não se movendo, semelhante ao resfriamento) é isocórico e também assumimos que o calor adicionado (Q) a ser 1800 kJ.

eficiência do ciclo Otto

podemos olhar novamente na janela do medidor de Propriedades do ciclo para ver que a eficiência térmica do ciclo Otto que construímos é de cerca de 57,5%.

Figura 7: Propriedades do ciclo

acontece que a eficiência térmica do ciclo Otto pode ser expressa em termos da razão de compressão volumétrica. O que é:

h =

Qin – Qout —– Q

= 1 – 1/(rk-1)

onde k é o calor específico da relação ( = Cp / Cv).para que possamos melhorar a eficiência do ciclo aumentando a razão de compressão. A figura seguinte mostra a relação graficamente.

Figura 8: Ciclo de Eficiência vs. Taxa de Compressão Volumétrica

Então, se fosse para mudar o valor de r 10, nossa eficiência do ciclo aumentaria para mais de 60%, o que é uma melhora significativa.

isto levanta a questão óbvia: por que não definir a razão de compressão para algo muito grande para obter a maior eficiência? A resposta é dupla. Em primeiro lugar, a nossa taxa de compressão é limitada por restrições mecânicas no sistema. Se a pressão no cilindro é muito alta, a chance de quebrar o pistão, o cilindro, ou alguma outra parte do motor. Por exemplo, os rolamentos são propensos à falha nos motores de automóveis rodados com relações de compressão excessivamente altas. O gráfico abaixo mostra a relação entre a pressão máxima do ciclo e a taxa de compressão.

Figura 9: Pressão máxima do ciclo vs. taxa de compressão volumétrica

ao tomar a razão de compressão de 8 para 11, por exemplo, aumentamos a pressão máxima do ciclo de pouco menos de 9 Mpa para quase 12, 5 Mpa.além disso, à medida que aumentamos a taxa de compressão, o aumento da pressão e da temperatura após o processo de compressão aumenta a probabilidade de dieseling, o que descreve uma situação em que o combustível incendeia por si só, antes da ignição ser aplicada. Isto entra em conflito com a nossa suposição de que a ignição (e, portanto, a combustão) ocorre quando o pistão está na posição de fundo morto isocórico Central. Além disso, ele pode realmente resultar em danos no motor, onde a combustão ocorre antes mesmo que o pistão tenha acabado de obter através do processo de compressão e força o pistão cópia de segurança antes de girar a manivela do eixo tem girado para a posição adequada (antes de ele ter passado a partir da orientação apresentada na figura 3 a figura 4).

CyclePad Design Files

Download the CyclePad design of the Otto cycle.

Entradas Relacionadas

• ciclo Diesel
• Design de um Ciclo de Rankine

Fontes

Whalley, P. B. 1992. Engenharia Termodinâmica Básica.Oxford University Press. ISBN: 0-19-856255-1

Van Wylen, Sonntag, Borgnakke. 1994. Fundamentals of Classical Thermodynamics, 4th edition.John Wiley e filhos. ISBN: 0-471-59395-8

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