mål

vi tittar på utformningen av en Otto-cykel och på hur dess prestanda kan förbättras genom att ändra dess volymetriska kompressionsförhållande. Otto-cykeln en sluten cykel (där systemet är en kontrollmassa), som vanligtvis används för att modellera cylindrarna för gnisttändning, förbränning, bilmotorer, dvs bensinmotorer.

den allmänna tanken

Otto-cykeln är mycket lik Dieselcykeln genom att båda är stängda cykler som vanligtvis används för att modellera förbränningsmotorer. Skillnaden mellan dem är att Otto-cykeln är en gnisttändningscykel istället för en kompressionständningscykel som Dieselcykeln. Gnisttändningscykler är utformade för att använda bränslen som kräver en gnista för att börja förbränna.

stadier av Otto-cykler

Otto-cykler har fyra steg: expansion, kylning, kompression och förbränning.

	Figur 1: flytta upp under expansion	Expansion: I Otto-cykeln bränns bränsle för att värma tryckluft och den heta gasen expanderar och tvingar kolven att resa upp i cylindern. Det är i denna fas att cykeln bidrar till sitt användbara arbete och roterar bilens vevaxel. Vi gör det ideala antagandet att detta steg i en ideal Otto-cykel är isentropiskt. kolv: flytta från botten dödcentrum till övre dödcentrum.
	Figur 2: Topp dödläge under kylning	kylning: därefter kyls den expanderade luften ner till omgivande förhållanden. I en verklig bilmotor motsvarar detta att tömma luften från motorn till miljön och ersätta den med frisk luft. Eftersom detta händer när kolven är i det övre dödläget i cykeln och inte rör sig, säger vi att denna process är isokorisk (ingen volymförändring). kolv: i övre dödcentrum.
	Figur 3: Flytta ner under komprimering	komprimering: som förberedelse för att lägga till värme i luften komprimerar vi nästa genom att flytta kolven ner i cylindern. Det är i denna del av cykeln som vi bidrar med arbete till luften. I den ideala Otto-cykeln anses denna kompression vara isentropisk. det är i detta skede att vi ställer in det volymetriska kompressionsförhållandet, r vilket är förhållandet mellan volymen av arbetsvätskan före kompressionsprocessen och dess volym efter. Det kommer att visa sig att effektiviteten hos Otto-cykeln (förutsatt att luft är en idealisk gas) kan beskrivas helt i termer av detta förhållande. kolv: flytta från övre dödcentrum till botten dödcentrum.
	Figur 4: botten dödcentral vid förbränning	förbränning: därefter tillsätts värme till luften genom bränsleförbränning när kolven är i den nedre dödcentrumpositionen. Förbränning initieras inte förrän en gnista (till exempel från en tändstift) genereras i cylindern. Eftersom kolven är väsentligen immobil under denna del av cykeln, säger vi att värmetillsatsen är isokorisk, som kylprocessen. kolv: längst ner dödcentrum.

p-v-Diagram

P-v-diagrammet för en Otto-cykel visas nedan.

Figur 5: Otto cykel P-v diagram

exempel Otto cykel Design

Problem uttalande

för illustration, kommer vi att anta att vi vill utforma en Otto cykel som tar 1 kg luft vid omgivningsbetingelser av 15 C och 100kpa, komprimerar den till en åttondel sin ursprungliga volym och lägger 1800kj av värme till den i förbränningsprocessen. Med vad vi vet om Otto cycles är det allt vi behöver för att helt beskriva problemet.

Cyclepad implementation

nedan är en möjlig CyclePad-design av en Otto-cykel.

Figur 6: Otto-cykel i CyclePad

arbetsvätskan

vi den vanligaste arbetsvätskan för en Otto-cykel är luft, eftersom det är det billigaste att bränna bensin. Vi kan välja luft som vår arbetsvätska som luft genom att välja den som ämne i mätfönstret för alla saker.

beskrivning av Cykelstadier

Vi kommer kort att undersöka varje tillståndspunkt och process i Otto-cykeln där designantaganden måste göras och specificera varje antagande. Som vi kan se från exemplet designbegränsningar behöver mycket få siffror anges för att beskriva en idealisk Otto-cykel. Resten av antagandena bestäms genom att tillämpa bakgrundskunskap om cykeln. Principen numerisk design beslut är kompressionsförhållandet.

Cycle Properties

Under menyalternativet Cycle kan vi öppna fönstret Cycle Properties meter. Det enda nödvändiga antagandet här är att cykeln är en värmemotor (en anordning för att omvandla värme till arbete) så att CyclePad vet hur man utvärderar dess effektivitet.

Pre-Expansion (S1)

inga nödvändiga SPECIFIKATIONER här, även om det är lika bra plats som någon att ange arbetsvätskan för att vara luft.

Expansionsprocess (EXP1)

eftersom vi analyserar en ideal Otto-cykel antar vi att expansionen är isentropisk. Om vi visste hur mycket värmeförlust som inträffade i expansionen och det arbete det producerade, skulle vi kunna specificera de här istället för att modellera en icke-idealisk expansionsprocess.

avgaser (efter Expansion) (S2)

inga nödvändiga SPECIFIKATIONER här. Det är här vi släpper ut den använda luften till miljön.

kylprocess (CLG1)

eftersom ersättning av förbrukad luft med frisk luft uppstår när kolven är i sitt övre dödläge, antar vi att kylprocessen är isokorisk.

Förkompression (S3)

vid denna tidpunkt har vi luft som kommer in i cylindern vid omgivande förhållanden, så vi antar att temperaturen t är 15% deg;C och trycket är 100 kPa, som anges i problemförklaringen.

Komprimeringsprocess (CMP1)

här antar vi både att komprimeringen för den ideala Otto-cykeln är isentropisk och att vårt kompressionsförhållande är 8, som anges i problemförklaringen.

Efterkomprimering (S4)

inga nödvändiga SPECIFIKATIONER här.

förbränningsprocess (HTG1)

här antar vi att uppvärmningen (som äger rum Medan kolven är i botten dödcentrum och inte rör sig, liknar kylningen) är isokorisk och vi antar också att den tillsatta värmen (Q) är 1800 kJ.

Otto Cycle Efficiency

vi kan titta igen i fönstret Cycle Properties meter för att se att den termiska effektiviteten i Otto-cykeln vi har byggt är cirka 57,5%.

Figur 7: Cykelegenskaper

det visar sig att den termiska effektiviteten hos Otto-cykeln kan uttryckas i termer av det volymetriska kompressionsförhållandet. Det är:

h =

Qin – Qout —- Qin

= 1-1/(rk – 1)

där K är det specifika värmeförhållandet ( = CP / CV).

så vi kan förbättra cykelns effektivitet genom att öka kompressionsförhållandet. Följande figur visar förhållandet grafiskt.

figur 8: Cycle Efficiency vs Volumetric Compression Ratio

så, om vi skulle ändra värdet på r till 10, skulle vår cykel effektivitet öka till över 60%, vilket är en signifikant förbättring.

detta väcker den uppenbara frågan: Varför inte ställa in kompressionsförhållandet till något mycket stort för att få högsta effektivitet? Svaret är dubbelt. För det första begränsas vårt kompressionsförhållande av mekaniska begränsningar i systemet. Om trycket i cylindern är för högt, chansen att bryta kolven, cylindern eller någon annan del av motorn. Till exempel är lager benägna att misslyckas i bilmotorer som körs med alltför höga kompressionsförhållanden. Diagrammet nedan visar förhållandet mellan maximalt cykeltryck och kompressionsförhållandet.

Figur 9: maximalt Cykeltryck vs. volymetrisk kompressionsförhållande

När vi tar kompressionsförhållandet från 8 till 11 har vi till exempel ökat det maximala cykeltrycket från knappt 9 Mpa till nästan 12,5 Mpa.dessutom, när vi ökar kompressionsförhållandet, ökar det ökade trycket och temperaturen efter kompressionsprocessen sannolikheten för diesling, vilket beskriver en situation där bränslet tänds på egen hand innan tändningsgnistan appliceras. Detta strider mot vårt antagande att tändning (och därmed förbränning) sker när kolven är i isokorisk botten dödläge. Dessutom kan det faktiskt leda till motorskador där förbränningen sker redan innan kolven har slutat komma igenom kompressionsprocessen och tvingar kolvbackupen innan vevaxeln har roterat till rätt läge (innan den har gått från orienteringen som visas i Figur 3 till den i Figur 4).

CyclePad Design filer

ladda ner CyclePad design av Otto cykeln.

relaterade poster

• Dieselcykel
• Design av en Rankine-cykel

källor

Whalley, P. B. 1992. Grundläggande Teknisk Termodynamik.Oxford University Press. ISBN: 0-19-856255-1

Van Wylen, Sonntag, Borgnakke. 1994. Grunderna i klassisk termodynamik, 4: e upplagan.John Wiley och söner. ISBN: 0-471-59395-8

gå till

eller