OTTO CIKLAS: ETAPAI, ATLIKIMAS, PRITAIKYMAI, IŠSPRĘSTI PRATIMAI - FIZINIS - 2024

Otto ciklas yra termodinaminė ciklas, kuris yra sudarytas iš dviejų isochoric procesų ir du adiabatinius procesus. Šis ciklas vyksta ant suspaudžiamo termodinaminio skysčio. Jį sukūrė XIX amžiaus pabaigoje vokiečių inžinierius Nikolausas Otto, patobulinęs vidaus degimo variklį, pirmtaką to, kurį galima rasti šiuolaikiniuose automobiliuose. Vėliau jo sūnus Gustavas Otto įkūrė garsiąją BMW kompaniją.

„Otto“ ciklas taikomas vidaus degimo varikliams, dirbantiems su oro ir lakiųjų degalų, tokių kaip benzinas, dujos ar alkoholis, mišiniu, kurių degimas pradedamas naudojant elektros kibirkštį.

1 pav. Automobiliai „Nascar“ varžybose. Šaltinis: „Pixabay“.

Otto ciklo fazės

„Otto“ ciklo žingsniai yra šie:

1. Adiabatinis suspaudimas (be šilumos mainų su aplinka).
2. Šilumos energijos absorbcija izochorine forma (nekeičiant tūrio).
3. Adiabatinis išsiplėtimas (be šilumos mainų su aplinka).
4. Šilumos energijos išsklaidymas izochorine forma (nekeičiant tūrio).

2 paveiksle, parodytame žemiau, PV (slėgio ir tūrio) diagramoje parodytos skirtingos Otto ciklo fazės.

2 pav. Otto ciklo PV schema. Šaltinis: pačių sukurtas.

Taikymas

„Otto“ ciklas vienodai taikomas keturių taktų ir dvitakčiams vidaus degimo varikliams.

-4 taktų variklis

Šį variklį sudaro vienas ar keli cilindre esantys stūmokliai, kiekvienas su vienu (arba dviem) įsiurbimo vožtuvais ir vienu (arba dviem) išmetimo vožtuvais.

Jis vadinamas tokiu, nes jo veikimas turi tiksliai keturis kartus arba gerai pažymėtus etapus, kurie yra:

1. Priėmimas.
2. Suspaudimas.
3. Sprogimas.
4. Pabėgimas.

Šie etapai ar laikai įvyksta per alkūninio veleno du pasisukimus, nes stūmoklis 1 ir 2 kartus nusileidžia žemyn ir aukštyn, o 3 ir 4 kartus vėl krinta žemyn ir aukštyn.

Žemiau išsamiai aprašome, kas vyksta šiais etapais.

1 žingsnis

Stūmoklį nuleiskite nuo aukščiausio taško atidarytais įsiurbimo vožtuvais ir uždarytais išmetimo vožtuvais, kad oro ir kuro mišinys nusileisdamas į stūmoklį.

Įsiurbimas vyksta atliekant Otto ciklo diagramos OA žingsnį esant atmosferos slėgiui PA. Šiame etape buvo įtrauktas oro ir kuro mišinys, kuris yra suspaudžiamas skystis, ant kurio bus naudojamos Otto ciklo AB, BC, CD ir DA stadijos.

2 žingsnis

Prieš stūmoklį pasiekiant žemiausią tašką, abu vožtuvai užsidaro. Tada jis pradeda kilti taip, kad suspaustų oro ir kuro mišinį. Šis suspaudimo procesas vyksta taip greitai, kad jis beveik neišleidžia šilumos į aplinką. Otto cikle tai atitinka adiabatinį procesą AB.

3 žingsnis

Aukščiausiame stūmoklio taške, mišiniui suspaudus ir uždarius vožtuvus, įvyksta sprogstamasis mišinio degimas, kurį sukelia kibirkštis. Šis sprogimas yra toks greitas, kad stūmoklis vos nenukrito.

Otto cikle tai atitinka izochorinį BC procesą, kai šiluma įpurškiama nemažėjant tūrio pokyčiams, todėl padidėja mišinio slėgis. Šilumą teikia cheminė deguonies deginimo ore reakcija su degalais.

4 žingsnis

Aukšto slėgio mišinys plečiasi, todėl stūmoklis nusileidžia, kol vožtuvai liko uždaryti. Šis procesas vyksta taip greitai, kad šilumos mainai su išorės elementais yra nereikšmingi.

Šiuo metu atliekamas stūmoklio darbas, kurį jungiamasis strypas perduoda alkūniniam velenui, sukuriančiam judančiąją jėgą. „Otto“ cikle tai atitinka adiabatinio proceso kompaktinį diską.

5 žingsnis

Apatinėje smūgio dalyje šiluma išleidžiama per cilindrą į šaltnešį, o tūris pastebimai nekinta. Otto cikle tai atitinka DA izochorinį procesą.

6 žingsnis

Paskutinėje stūmoklio eigos dalyje sudegusį mišinį išstumia išmetimo vožtuvas, kuris lieka atidarytas, o įsiurbimo vožtuvas uždarytas. Išdegusių dujų išsiskyrimas vyksta OO ciklo diagramos AO etape.

Visas procesas kartojamas įleidžiant naują oro ir kuro mišinį per įsiurbimo vožtuvą.

3 pav. Keturių taktų variklis. Šaltinis: pixabay

„Otto“ cikle atliktas grynasis darbas

„Otto“ ciklas veikia kaip šilumos variklis ir yra vykdomas pagal laikrodžio rodyklę.

Dujomis, kurios praplečia sienas, kuriose yra dujų, atliktas darbas W apskaičiuojamas pagal šią formulę:

Kur Vi yra pradinis tūris, o Vf - galutinis tūris.

Termodinaminio ciklo metu grynasis darbas atitinka plotą, uždengiamą P - V diagramos ciklu.

Otto ciklo atveju tai atitinka mechaninį darbą, atliktą nuo A iki B, pridėjus mechaninį darbą, atliktą nuo C iki D. Tarp B ir C atliktas darbas yra lygus nuliui, nes tūris nepasikeičia. Panašiai tarp D ir A kūrinys niekinis.

Darbai atlikti nuo A iki B

Tarkime, mes pradedame nuo taško A, kur žinomas jo tūris Va, slėgis Pa ir temperatūra Ta.

Iš taško A į tašką B atliekamas adiabatinis suspaudimas. Pusiau statiškomis sąlygomis adiabatiniai procesai atitinka Puasono įstatymą, kuriame teigiama:

Kai γ yra adiabatinis koeficientas, apibrėžiamas kaip santykis tarp savitosios šilumos esant pastoviam slėgiui ir savitosios šilumos, esant pastoviam tūriui.

Taigi darbas nuo A iki B būtų apskaičiuojamas santykiu:

Paėmę integralą ir pritaikę Puasono santykį adiabatiniam procesui, turime:

Kur r yra suspaudimo laipsnis r = Va / Vb.

Darbas atliktas nuo C iki D

Panašiai darbas, atliktas nuo C iki D, būtų apskaičiuojamas pagal integralą:

Kieno rezultatas

Kur r = Vd / Vc = Va / Vb yra suspaudimo laipsnis.

Grynasis darbas bus dviejų darbo vietų suma:

Grynoji šiluma Otto cikle

Procesuose nuo A iki B ir nuo C iki D šiluma nekeičiama, nes tai yra adiabatiniai procesai.

Proceso nuo B iki C metu darbai neatliekami, o degimo metu skleidžiama šiluma padidina vidinę dujų energiją, todėl jų temperatūra nuo Tb iki Tc.

Panašiai procese nuo D iki A vyksta šilumos perdavimas, kuris taip pat apskaičiuojamas taip:

Grynoji šiluma bus:

spektaklis

Ciklinio variklio našumas arba efektyvumas apskaičiuojamas nustatant atlikto grynojo darbo ir sistemai tiekiamos šilumos kiekvienam veikimo ciklui koeficientą.

Jei ankstesni rezultatai pakeičiami ankstesne išraiška ir daroma prielaida, kad degalų oro mišinys elgiasi kaip idealios dujos, tada pasiekiamas teorinis ciklo efektyvumas, kuris priklauso tik nuo suspaudimo laipsnio:

Otto ciklo metu išspręsti pratimai

- 1 pratimas

1500 cc tūrio benzininis keturių taktų variklis su 7,5 suspaudimo laipsniu veikia aplinkoje, kur atmosferos slėgis yra 100 kPa ir 20 laipsnių Celsijaus. Nustatykite per ciklą atliktą grynąjį darbą. Tarkime, kad degimas sudaro 850 džaulių už kiekvieną gramą oro ir kuro mišinio.

Sprendimas

Anksčiau buvo apskaičiuota grynoji darbo išraiška:

Norėdami nustatyti atliktą grynąjį darbą, turime nustatyti tūrį ir slėgį ciklo taškuose B ir C.

A taško A, kuriame balionas buvo užpildytas oro ir benzino mišiniu, tūris yra 1500 cm3 poslinkis. Taške B tūris yra Vb = Va / r = 200 cc.

Tūris C taške taip pat yra 200 cm3.

Slėgio skaičiavimas esant A, B ir C

Slėgis taške A yra atmosferos slėgis. Slėgis taške B gali būti apskaičiuojamas naudojant Puasono santykį adiabatiniam procesui:

Atsižvelgiant į tai, kad mišinyje daugiausia yra oro, kuris gali būti laikomas diatominėmis idealiomis dujomis, gama adiabatinis koeficientas yra 1,4. Tada slėgis taške B bus 1837,9 kPa.

Taško C tūris yra toks pat kaip ir taško B, tai yra 200 cc.

Slėgis taške C yra didesnis nei taške B dėl temperatūros padidėjimo, kurį sukelia degimas. Norėdami jį apskaičiuoti, turime žinoti, kiek šilumos įnešė degimas.

Deginant šiluma yra proporcinga sudegusio mišinio kiekiui.

Naudojant idealios būklės dujų lygtį:

Taigi degimo sukeliama šiluma yra 1,78 gramo x 850 džaulių / gramas = 1513 džaulių. Tai sukelia temperatūros kilimą, nuo kurio galima apskaičiuoti

Tb galima apskaičiuoti iš būsenos lygties, gaunančios 718 K, taigi, mūsų duomenimis, gauta Tc vertė yra 1902 K.

Slėgis taške C pateikiamas pagal tašką taikomą būsenos lygtį, gaunančią 4868,6 kPa.

Grynasis ciklo darbas yra 838,5 džaulų.

- 2 pratimas

Iš 1 pratimo nustatykite variklio efektyvumą ar našumą. Jei variklis dirba 3000 apsisukimų per minutę greičiu, nustatykite galią.

Sprendimas

Padalinus tinklą iš tiekiamos šilumos gaunamas 55,4% efektyvumas. Šis rezultatas sutampa su rezultatu, gautu tiesiogiai naudojant efektyvumo formulę kaip suspaudimo laipsnio funkciją.

Galia yra darbas, atliekamas per laiko vienetą. 3000 aps / min lygus 50 apsisukimų per sekundę. Bet „Otto“ ciklas užbaigiamas kas dvi variklio apsisukimus, nes tai yra keturių taktų variklis, kaip mes paaiškinome anksčiau.

Tai reiškia, kad per vieną sekundę Otto ciklas kartojamas 25 kartus, taigi atliktas darbas yra 25 x 838,5 džaulių per vieną sekundę.

Tai atitinka 20,9 kilovatų galią, lygią 28 arklio galių.

Nuorodos

1. Termodinaminiai ciklai. Atkurta iš: fis.puc.cl
2. Martino, T. ir Serrano, A. Otto ciklas. Atkurta iš: 2.montes.upm.es.
3. Sevilijos universitetas. Taikomosios fizikos katedros Wiki Otto ciklo atvejo analizė. Atkurta iš: laplace.us.es.
4. Vikipedija. Otto ciklas. Atkurta iš: es.wikipedia.com
5. Vikipedija. „Otto“ variklis. Atkurta iš: es.wikipedia.com