obiectiv

ne uităm la proiectarea unui ciclu Otto și la modul în care performanțele sale pot fi îmbunătățite prin schimbarea raportului de compresie volumetrică. Ciclul Otto un ciclu închis (unde sistemul este o masă de control), utilizat în mod obișnuit pentru a modela cilindrii de aprindere prin scânteie, combustie interna, motoare auto, adică motoare pe benzină.

ideea generală

ciclul Otto este foarte similar cu ciclul Diesel prin faptul că ambele sunt cicluri închise utilizate în mod obișnuit pentru modelarea motoarelor cu ardere internă. Diferența dintre ele este că ciclul Otto este un ciclu de aprindere prin scânteie în loc de un ciclu de aprindere prin compresie, cum ar fi ciclul Diesel. Ciclurile de aprindere prin scânteie sunt concepute pentru a utiliza combustibili care necesită o scânteie pentru a începe arderea.

etapele ciclurilor Otto

ciclurile Otto au patru etape: expansiune, răcire, compresie și combustie.

	Figura 1: se deplasează în sus în timpul expansiunii	expansiune: în ciclul Otto, combustibilul este ars pentru a încălzi aerul comprimat și gazul fierbinte se extinde forțând pistonul să se deplaseze în cilindru. În această fază ciclul contribuie la munca sa utilă, rotind arborele cotit al automobilului. Facem presupunerea ideală că această etapă într-un ciclu Otto ideal este izentropică. Piston: trecerea de la centrul mort de jos la centrul mort de sus.
	Figura 2: punctul mort superior în timpul răcirii	răcire: apoi, aerul expandat este răcit în condiții ambientale. Într-un motor auto Real, acest lucru corespunde epuizării aerului din motor în mediu și înlocuirii acestuia cu aer proaspăt. Deoarece acest lucru se întâmplă atunci când pistonul se află în poziția superioară a Centrului mort în ciclu și nu se mișcă, spunem că acest proces este izocoric (fără modificări ale volumului). Piston: în centrul mortului de sus.
	Figura 3: deplasarea în jos în timpul comprimării	compresie: în pregătirea pentru adăugarea căldurii în aer, îl comprimăm apoi deplasând pistonul în jos pe cilindru. În această parte a ciclului contribuim la muncă în aer. În ciclul Otto ideal, această compresie este considerată a fi izentropică. în acest stadiu am stabilit raportul de compresie volumetrică, r care este raportul dintre volumul fluidului de lucru înainte de procesul de compresie și volumul său după. Se va dovedi că eficiența ciclului Otto (presupunând că aerul este un gaz ideal) poate fi descrisă în întregime în ceea ce privește acest raport. Piston: trecerea de la centru mort de sus la centru mort de jos.
	Figura 4: centrul mort inferior în timpul arderii	combustie: apoi, se adaugă căldură în aer prin arderea combustibilului atunci când pistonul se află în poziția de centru mort inferior. Arderea nu este inițiată până când o scânteie (de la o bujie, de exemplu) este generată în cilindru. Deoarece pistonul este în esență imobil în această parte a ciclului, spunem că adăugarea de căldură este izocorică, ca și procesul de răcire. Piston: în centrul mortului de jos.

diagrama P-v

diagrama P-v pentru un ciclu Otto este prezentată mai jos.

Figura 5: diagrama p-v a ciclului Otto

exemplu de proiectare a ciclului Otto

declarație de problemă

în scopul ilustrării, vom presupune că dorim să proiectăm un ciclu Otto care să ia 1 kg de aer în condiții ambientale de 15 C și 100 kPa, îl comprimă la o 1800kj de căldură în procesul de ardere. Cu ceea ce știm despre ciclurile Otto, asta este tot ce avem nevoie pentru a descrie complet problema.

implementarea CyclePad

mai jos este o posibilă Proiectare CyclePad a unui ciclu Otto.

Figura 6: ciclul Otto în CyclePad

fluidul de lucru

noi cel mai comun fluid de lucru pentru un ciclu Otto este aerul, deoarece este cel mai ieftin lucru în care se arde benzina. Putem alege aerul ca fluid de lucru ca aer selectând-o ca substanță în fereastra contorului oricărei lucruri.

descrierea etapelor ciclului

vom examina pe scurt fiecare punct de stare și proces al ciclului Otto în care trebuie făcute ipoteze de proiectare, detaliind fiecare ipoteză. După cum putem vedea din exemplul constrângerilor de proiectare, foarte puține numere trebuie specificate pentru a descrie un ciclu Otto ideal. Restul ipotezelor sunt determinate prin aplicarea cunoștințelor de bază despre ciclu. Principiul deciziei numerice de proiectare este raportul de compresie.

Cycle Properties

sub elementul de meniu Cycle, putem apela fereastra Cycle Properties meter. Singura presupunere necesară aici este că ciclul este un motor termic (un dispozitiv pentru a converti căldura în funcțiune), astfel încât CyclePad să știe să-și evalueze eficiența.

pre-expansiune (S1)

nu sunt necesare specificații aici, deși este un loc la fel de bun ca oricare altul pentru a specifica fluidul de lucru să fie aer.

procesul de expansiune (EXP1)

deoarece analizăm un ciclu Otto ideal, presupunem că expansiunea este izentropică. Dacă am ști cât de multă pierdere de căldură a avut loc în expansiune și munca pe care a produs-o, am putea să le specificăm pe cele de aici pentru a modela un proces de expansiune non-ideal.

evacuare (Post-expansiune) (S2)

nu sunt necesare specificații aici. Aici eliberăm aerul folosit în mediul înconjurător.

procesul de răcire (CLG1)

deoarece înlocuirea aerului uzat cu aer proaspăt are loc atunci când pistonul se află în poziția superioară a Centrului mort, presupunem că procesul de răcire este izocoric.

pre-compresie (S3)

în acest moment, avem aer care intră în cilindru în condiții ambientale, deci presupunem că temperatura t este de 15% grade;C și presiunea să fie de 100 kPa, așa cum se specifică în declarația de problemă.

procesul de compresie (CMP1)

aici presupunem atât că compresia pentru ciclul Otto ideal este izentropică, cât și că raportul nostru de compresie este 8, așa cum este dat în Declarația problemei.

Post-compresie (S4)

nu sunt necesare specificații aici.

procesul de ardere (HTG1)

aici presupunem că încălzirea (care are loc în timp ce pistonul este în centrul mortului inferior și nu se mișcă, similar cu răcirea) este izocorică și presupunem, de asemenea, căldura adăugată (Q) să fie de 1800 kJ.

eficiența ciclului Otto

ne putem uita din nou în fereastra contorului proprietăților ciclului pentru a vedea că eficiența termică a ciclului Otto pe care l-am construit este de aproximativ 57,5%.

Figura 7: proprietățile ciclului

se pare că eficiența termică a ciclului Otto poate fi exprimată în termeni de raport de compresie volumetrică. Adică:

h =

Qin – Qout —– Qin

= 1 – 1/(rk-1)

unde K este raportul specific de căldură ( = CP / CV).

deci, putem îmbunătăți eficiența ciclului prin creșterea raportului de comprimare. Următoarea figură prezintă relația grafic.

figura 8: eficiența ciclului vs.Raportul de compresie volumetrică

deci, dacă ar fi să schimbăm valoarea lui r la 10, eficiența ciclului nostru ar crește la peste 60%, ceea ce reprezintă o îmbunătățire semnificativă.

aceasta ridică întrebarea evidentă: de ce să nu setați raportul de compresie la ceva foarte mare pentru a obține cea mai mare eficiență? Răspunsul este dublu. În primul rând, raportul nostru de compresie este limitat de constrângerile mecanice din sistem. Dacă presiunea din cilindru este prea mare, șansa de a rupe pistonul, cilindrul sau o altă parte a motorului. De exemplu, rulmenții sunt predispuși la defecțiuni la motoarele auto care funcționează cu rapoarte de compresie prea mari. Graficul de mai jos arată relația dintre presiunea maximă a ciclului și raportul de compresie.

Figura 9: presiunea maximă a ciclului vs.Raportul de compresie volumetrică

luând raportul de compresie de la 8 la 11, de exemplu, am crescut presiunea maximă a ciclului de la puțin sub 9 MPa la aproape 12,5 mpa.

în plus, pe măsură ce creștem raportul de compresie, presiunea și temperatura crescute după procesul de compresie cresc probabilitatea de dieseling, care descrie o situație în care combustibilul se aprinde singur, înainte de aplicarea scânteii de aprindere. Acest lucru intră în conflict cu presupunerea noastră că aprinderea (și, prin urmare, arderea) are loc atunci când pistonul se află în poziția centrală a fundului izochoric. În plus, poate duce de fapt la deteriorarea motorului în cazul în care arderea are loc chiar înainte ca pistonul să fi terminat de trecut prin procesul de compresie și forțează backup-ul pistonului înainte ca arborele manivelei să se rotească în poziția corectă (înainte de a trece de la orientarea prezentată în Figura 3 la cea din Figura 4).

fișiere de proiectare CyclePad

descărcați designul CyclePad al ciclului Otto.

intrări conexe

• ciclu Diesel
• proiectarea unui ciclu Rankine

surse

Whalley, P. B. 1992. Termodinamica Inginerească De Bază.Oxford University Press. ISBN: 0-19-856255-1

Van Wylen, Sonntag, Borgnakke. 1994. Fundamentele termodinamicii clasice, ediția a 4-a.John Wiley și fiii. ISBN: 0-471-59395-8

mergeți la

sau