Fysisk

Otto -faser, ytelse, applikasjoner, løste øvelser

Otto -faser, ytelse, applikasjoner, løste øvelser

Han Otto Cycle Det er en termodynamisk syklus som består av to isokoriske prosesser og to adiabatiske prosesser. Denne syklusen forekommer på en komprimerbar termodynamisk væske. Den ble opprettet av den tyske ingeniøren Nikolaus Otto på slutten av 1800 -tallet, som perfeksjonerte forbrenningsmotoren, forgjengeren som moderne biler bærer. Senere ville sønnen Gustav Otto funnet det berømte BMW -selskapet.

Otto -syklusen gjelder forbrenningsmotorer som fungerer med en blanding av luft og et flyktig drivstoff som bensin, gass eller alkohol, og hvis forbrenning begynner med en elektrisk gnist.

Figur 1. Biler i en NASCAR -konkurranse. Kilde: Pixabay.

[TOC]

Otto syklusfaser

Trinnene i Otto -syklusen er:

  1. Adiabatisk komprimering (uten varmeutveksling med miljøet).
  2. Caloric Energy Absorpsjon i isokorisk form (uten å endre volumet).
  3. Adiabatisk ekspansjon (uten varmeutveksling med miljøet).
  4. Utvisning av kalorienergi i en isokorisk form (uten å endre volumet).

Figur 2, som er vist nedenfor, viser i et P -V -diagram (trykk - volum) de forskjellige fasene i Otto -syklusen.

Figur 2. P-V-diagram over Otto-syklusen. Kilde: Selvlaget.

applikasjon

Otto -syklusen gjelder likt for fire -sterkt forbrenningsmotorer og to -Stroke.

-4 -Stroke -motoren

Denne motoren består av en eller flere stempler i en sylinder, hver med en (eller to) inntaksventiler og en (eller to) eksosventiler.

Det er såkalt fordi operasjonen bare har fire godt merkede stadier eller stadier som er:

  1. Innrømmelsen.
  2. Komprimering.
  3. Eksplosjonen.
  4. Flukten.

Disse stadiene eller tidene forekommer for to vendinger av veivakselen, fordi stempelet senkes og stiger i tider 1 og 2, og igjen går ned og stiger i tider 3 og 4.

Neste beskriver vi hva som skjer i disse stadiene.

Trinn 1

Stempel nedstigning fra det høyeste punktet med åpne inntaksventiler og lukket eksos, slik at luft-drivstoffblandingen blir aspirert av stempelet under dens nedstigning.

Opptak skjer under OA -passet. På dette stadiet er luften - drivstoffblandingen blitt innarbeidet, som er den komprimerbare væsken som trinnene AB, BC, CD og DA for Otto -syklusen vil bli påført.

Steg 2

Litt før stemplet når det laveste punktet begge ventilene lukker. Så begynner det å klatre slik at den komprimerer luftfrivstoffblandingen. Denne komprimeringsprosessen skjer så raskt at den praktisk talt ikke gir varme til miljøet. I Otto -syklusen tilsvarer det den adiabatiske prosessen AB.

Kan tjene deg: Neptune (planet)

Trinn 3

Ved stempelets høyeste punkt, med den komprimerte blandingen og lukkede ventiler, oppstår den eksplosive forbrenningen av blandingen av gnisten. Denne eksplosjonen er så rask at stempelet knapt har nedstammet.

I Otto -syklusen tilsvarer BC -isokoriske prosessen der varme injiseres uten en betydelig volumendring, og øker følgelig blandingstrykket. Varmen tilføres av den kjemiske forbrenningsreaksjonen til luftoksygenet med drivstoffet.

Trinn 4

Høytrykksblandingen utvider at stempelet går ned mens ventilene forblir lukket. Denne prosessen skjer så raskt at varmeutveksling med utsiden er ubetydelig.

På dette tidspunktet gjøres positivt arbeid på stempelet, som overføres av forbindelsesstangen til veivakselen som produserer motorstyrken. I Otto -syklusen tilsvarer den adiabatiske prosessen CD.

Trinn 5

I løpet av den laveste delen av ruten blir varmen utvist gjennom sylinderen til kjølemediet, uten at volumet endres. I Otto -syklusen tilsvarer det den isokoriske prosessen til.

Trinn 6

I den siste delen av stempelruten blir blandingen brent av eksosventilen som forblir åpen blir utvist, mens innleggelsen er lukket. Escape of Furned Gases oppstår under AO -trinnet i Otto Cycle Diagram.

Hele prosessen gjentas med inngangen gjennom inngangsventilen til en ny luft-drivstoffblanding.

Figur 3. Fire-takts motor. Kilde: Pixabay

Nettarbeid utført i Otto -syklusen

Otto -syklusen fungerer som en termisk motor og blir reist i en timeplan.

W -arbeidet som utfører en gass som utvider veggene som inneholder den, beregnes med følgende formel:

Hvor vi er det opprinnelige volumet og VF det endelige volumet.

I en termodynamisk syklus tilsvarer nettarbeidet området som er låst i P - V -diagram -syklusen.

Når det. Mellom B og C er arbeidet som er gjort ugyldig siden det ikke er volumendring. Lignende mellom D og arbeid er ugyldig.

Arbeid utført fra A til B

Anta at vi starter fra punkt A, der volumet er kjent, trykket PA og temperaturen TA.

Det kan tjene deg: Magnetisk induksjon: Formler, hvordan det beregnes og eksempler

Fra punkt A til punkt B utføres en adiabatisk komprimering. Under kvasiestatiske forhold overholder de adiabatiske prosessene Poissons lov, som slår fast at:

Der γ er en adiabatisk kvotient definert som forholdet mellom den spesifikke varmen ved konstant trykk mellom den spesifikke varmen ved konstant volum.

Slik at arbeidet som er utført fra A til B, vil bli beregnet gjennom forholdet:

Etter å ha tatt integralen og brukt Poissons forhold til adiabatisk prosess du har:

Hvor r Det er komprimeringsforholdet R = va/vb.

Arbeid utført fra C til D

Tilsvarende ville arbeidet utført fra C til D bli beregnet av integrert:

Hvis resultat er

Å være R = vd/vc = va/vb Komprimeringsforholdet.

Nettoarbeid vil være summen av de to verkene:

Nettvare i Otto Cycle

I prosessene fra A A B og fra C til D blir ikke varme byttet fordi de er adiabatiske prosesser.

For B A C -prosessen blir ikke arbeid utført, og varmen tildelt ved forbrenning øker gassens indre energi og derfor TB -temperaturen til TC.

Tilsvarende er det i prosessen med D a varmeoppgave som også beregnes som:

Nettvarmen vil være:

Opptreden

Ytelsen eller effektiviteten til en syklisk motor beregnes ved å finne forholdet mellom nettoarbeidet og varmen som leveres til systemet for hver driftssyklus.

Hvis resultatene ovenfor erstattes i det forrige uttrykket og antagelsen også antas at drivstoffluftsblandingen oppfører seg som en ideell gass, er den teoretiske effektiviteten til syklusen nådd, som bare avhenger av kompresjonsforholdet:

Otto Cycle -øvelser

-Oppgave 1

En firetidssylindrert bensinmotor og kompresjonsforhold 7.5 fungerer i et atmosfærisk trykkmiljø på 100 kPa og 20 grader Celsius. Bestem nettarbeidet utført etter syklus. Anta at forbrenning gir 850 joules for hvert gram luftblanding - drivstoff.

Løsning

Uttrykket av nettoarbeid var tidligere beregnet:

Vi må bestemme volumet og trykket på punktene B og C i syklusen for å bestemme nettoarbeidet som er utført.

Volumet på punktet der det er fylt ut sylinder med luft - bensinblanding er forskyvningen 1500 cc. Ved punkt B er volumet VB = VA / R = 200 cc.

Volumet på punkt C er også 200 cc.

Trykkberegning i A, B og C

Pek et trykk er atmosfæretrykk. Trykket ved punkt B kan beregnes ved å bruke Poissons forhold for en adiabatisk prosess:

Kan tjene deg: Hva er strømmen? (Med eksperiment)

Når du tar i betraktning at blandingen overveiende er luft som kan behandles som en ideell diatomisk gass, tar gamma adiabatisk koeffisient verdi 1.4. Da vil trykket på punkt B være 1837,9 kpa.

Volumet av punkt C er det samme som for punkt B, det vil si 200 cc.

Trykket ved punkt C er større enn i punkt B på grunn av økningen i temperatur forårsaket av forbrenning. For å beregne det må vi vite hvor mye varme forbrenningen har bidratt med.

Varmen levert ved forbrenning er proporsjonal med mengden blanding som brenner.

Bruke den ideelle gassstatuslikningen:

Hvor Rm Det er luftkonstanten hvis verdi er 286,9 J / (kg k) og M er blandingsmassen tatt i opptaksprosessen. Rydde massen m av tilstandsligningen og erstatte trykk, temperatur og volumverdier ved punkt A oppnås 1,78 gram blanding.

Da er varmen bidratt med forbrenning 1,78 gram x 850 Joules/Gram = 1513 Joules. Dette forårsaker en temperaturøkning som kan beregnes fra

TB kan beregnes ut fra tilstandsligningen som resulterer i 718 K, og for våre data er verdien som følge av TC 1902 K.

Trykket ved punkt C er gitt av tilstandsligningen som er brukt på det punktet, noe som resulterer i 4868,6 kPa.

Nettoarbeid per syklus viser seg å være 838,5 joules.

-Oppgave 2

Bestem effektiviteten eller motorytelsen til trening 1. Forutsatt at motoren fungerer på 3000 r.p.m Bestem kraften.

Løsning

Å dele nettarbeidet mellom varmen som leveres en effektivitet på 55,4% oppnås. Dette resultatet sammenfaller med det som er oppnådd ved direkte anvendelse av effektivitetsformelen basert på kompresjonsforholdet.

Kraft er arbeidet som er utført per tidsenhet. 3000 r.p.m. tilsvarer 50 omganger per sekund. Men Otto -syklusen er fullført for hver to svinger av motoren fordi det er en fire -strek, som vi forklarte ovenfor.

Dette betyr at Otto -syklusen om et sekund gjentas 25 ganger, så arbeidet er 25 x 838,5 joules på et sekund.

Dette tilsvarer 20,9 kilowatt strøm tilsvarer 28 damphester.

Referanser

  1. Termodynamiske sykluser. Gjenopprettet fra: fis.Puc.Cl
  2. Martín, t. Og Serrano, til. Otto Cycle. Gjenopprettet fra: 2.Montes.UPM.er.
  3. Sevilla University. Wiki fra Department of Applied Physics Case Cycle of Otto Cycle. Gjenopprettet fra: Laplace.oss.er.
  4. Wikipedia. Otto Cycle. Gjenopprettet fra: er.Wikipedia.com
  5. Wikipedia. Otto -motor. Gjenopprettet fra: er.Wikipedia.com