Otto -Phasen, Leistung, Anwendungen, gelöste Übungen

Er Otto -Zyklus Es ist ein thermodynamischer Zyklus, der aus zwei isocorischen Prozessen und zwei adiabatischen Prozessen besteht. Dieser Zyklus tritt auf einer kompressiblen thermodynamischen Flüssigkeit auf. Es wurde am Ende des 19. Jahrhunderts vom deutschen Ingenieur Nikolaus Otto geschaffen, der den Innenmotor, dem Vorgänger, aus dem modernen Autos führen, perfektionierten. Später fand sein Sohn Gustav Otto die berühmte BMW -Firma.

Der Otto -Zyklus gilt für Verbrennungsmotoren, die mit einer Mischung aus Luft und einem flüchtigen Kraftstoff wie Benzin, Gas oder Alkohol arbeiten und deren Verbrennung mit einem elektrischen Funken beginnt.

Abbildung 1. Autos in einem NASCAR -Wettbewerb. Quelle: Pixabay.

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Otto -Zyklusphasen

Die Schritte des Otto -Zyklus sind:

1. Adiabatische Komprimierung (ohne Wärmeaustausch mit der Umwelt).
2. Kalorienergieabsorption in isocorischer Form (ohne das Volumen zu ändern).
3. Adiabatische Expansion (ohne Wärmeaustausch mit der Umwelt).
4. Ausweisung von Kalorienenergie in isocorischer Form (ohne das Volumen zu ändern).

Abbildung 2 zeigt unten in einem P -V -Diagramm (Druck - Volumen) die verschiedenen Phasen des Otto -Zyklus.

Figur 2. P-V-Diagramm des Otto-Zyklus. Quelle: Selbst gemacht.

Anwendung

Der Otto -Zyklus gilt gleichermaßen für vier Anstiegsmotoren mit vier Anstiegsmotoren und zwei Stroke.

-Der 4 -Hufträgermotor

Dieser Motor besteht aus einem oder mehreren Kolben in einem Zylinder, jeweils eine (oder zwei) Ansaugventile und eine (oder zwei) Abgasventile.

Es wird so genannt, weil sein Betrieb nur vier gut gekennzeichnete Phasen oder Phasen enthält:

1. Der Eintritt.
2. Kompression.
3. Die Explosion.
4. Die Flucht.

Diese Phasen oder Zeiten treten für zwei Kurbenwelle auf, da der Kolben in den Zeiten 1 und 2 senkt und steigt und wieder in Zeiten 3 und 4 steigt.

Als nächstes beschreiben wir, was in diesen Phasen passiert.

Schritt 1

Kolbenabfälle vom höchsten Punkt mit offenen Einlassventilen und geschlossenem Abgas.

Die Zulassung tritt während des OA -Passs auf. Zu diesem Zeitpunkt wurde das Luft -Kraftstoff -Mischung eingebaut, das die komprimierbare Flüssigkeit ist, auf der die Stufen AB, BC, CD und DA des Otto -Zyklus angewendet werden.

Schritt 2

Etwas, bevor der Kolben den niedrigsten Punkt erreicht, den beide Ventile schließen. Dann beginnt es zu klettern, damit es die Luftstoffmischung komprimiert. Dieser Komprimierungsprozess tritt so schnell auf, dass er der Umwelt praktisch Wärme verleiht. Im Otto -Zyklus entspricht es dem adiabatischen Prozess AB.

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Schritt 3

Am höchsten Punkt des Kolben. Diese Explosion ist so schnell, dass der Kolben kaum abstammt.

Im Otto -Zyklus entspricht dem BC -Isocoric -Prozess, bei dem Wärme ohne maßgebliche Volumenänderung injiziert wird, und erhöht folglich den Mischendruck. Die Wärme wird durch die chemische Verbrennungsreaktion des Luftsauerstoffs mit dem Kraftstoff bereitgestellt.

Schritt 4

Das Hochdruckgemisch dehnt sich aus, dass der Kolben abfällt, während die Ventile geschlossen bleiben. Dieser Prozess tritt so schnell auf, dass der Wärmeaustausch mit der Außenseite vernachlässigbar ist.

Zu diesem Zeitpunkt erfolgt positive Arbeiten am Kolben, der durch die Verbindungsstange an die Kurbelwelle übertragen wird, die die motorische Kraft erzeugt. Im Otto -Zyklus entspricht der adiabatischen Prozess -CD CD.

Schritt 5

Während des niedrigsten Teils der Route wird die Wärme durch den Zylinder zum Kältemittel ausgestoßen, ohne dass sich das Volumen ändert. Im Otto -Zyklus entspricht es dem isocorischen Prozess von.

Schritt 6

Im letzten Teil der Kolbenroute wird die von dem offene Abgasventil verbrannte Mischung ausgeschlossen, während die Eintritt geschlossen ist. Die Flucht von verbrannten Gasen erfolgt während des AO -Schritts im Otto -Zyklusdiagramm.

Der gesamte Vorgang wird mit dem Eingang durch das Zulassungsventil einer neuen Luftstoffmischung wiederholt.

Figur 3. Viertaktmotor. Quelle: Pixabay

Nettoarbeit im Otto -Zyklus erledigt

Der Otto -Zyklus fungiert als thermischer Motor und wird in einem Zeitplan befahren.

Die W -Arbeit, die ein Gas ausführt, das die Wände erweitert, die es enthalten, wird durch die folgende Formel berechnet:

Wobei VI das anfängliche Volumen und VF der endgültige Volumen ist.

In einem thermodynamischen Zyklus entspricht die Net -Arbeit dem im P -V -Diagrammzyklus gesperrten Bereich.

Im Falle des Otto -Zyklus entspricht die mechanischen Arbeiten von A bis B plus den mechanischen Arbeiten von C nach D. Zwischen B und C ist die durchgeführte Arbeit nichtig, da es keine Volumenänderung gibt. Ähnlich zwischen D und Arbeit ist ungültig.

Arbeit von a bis b erledigt

Angenommen, wir beginnen von Punkt A, in dem sein Volumen bekannt ist, der Druck PA und seine Temperatur TA.

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Von Punkt A bis Punkt B wird eine adiabatische Komprimierung durchgeführt. Unter quasistatischen Bedingungen entsprechen die adiabatischen Prozesse dem Poisson -Gesetz, was feststellt:

Wobei γ ein adiabatischer Quotient ist, das als Verhältnis zwischen der spezifischen Wärme bei konstantem Druck zwischen der spezifischen Wärme bei konstantem Volumen definiert ist.

So dass die von A bis B geleistete Arbeit durch die Beziehung berechnet wird:

Nach der Einnahme des Integrals und der Verwendung von Poissons Beziehung zum adiabatischen Prozess haben Sie:

Wo R Es ist die Komprimierungsbeziehung R = va/vb.

Arbeit von c bis d erledigt

In ähnlicher Weise würde die von C nach D geleistete Arbeit durch Integral berechnet:

Dessen Ergebnis ist

Sein R = vd/vc = va/vb Die Komprimierungsbeziehung.

Nettoarbeit wird die Summe der beiden Werke sein:

Nettowärme im Otto -Zyklus

In den Prozessen von A A B und von C bis D wird Wärme nicht ausgetauscht, da es sich um adiabatische Prozesse handelt.

Für den B a c -Prozess wird nicht durchgeführt, und die durch Verbrennung zugewiesene Wärme erhöht die innere Energie des Gases und damit die TB -Temperatur zu TC.

In ähnlicher Weise gibt es im Prozess von D A Wärmezuordnung, die auch berechnet wird, als:

Die Nettowärme wird:

Leistung

Die Leistung oder Effizienz eines zyklischen Motors wird berechnet, indem das Verhältnis zwischen der geleisteten Nettoarbeit und der Wärme für jeden Betriebszyklus zum System geliefert wird.

Wenn die obigen Ergebnisse im vorherigen Ausdruck ersetzt werden und die Annahme auch angenommen wird, dass sich das Kraftstoffluftgemisch wie ein ideales Gas verhält, wird die theoretische Effizienz des Zyklus erreicht, was nur vom Komprimierungsverhältnis abhängt:

Otto -Zyklusübungen

-Übung 1

Ein zylinriertes Benzinmotor und das Kompressionsverhältnis von vier Zeiten 7,5 arbeiten in einer atmosphärischen Druckumgebung von 100 kPa und 20 Grad Celsius. Bestimmen Sie die im Zyklus geleistete Nettoarbeit. Angenommen, die Verbrennung liefert 850 Joule für jedes Gramm Luftmischung - Kraftstoff.

Lösung

Der Ausdruck der Nettoarbeit wurde zuvor berechnet:

Wir müssen das Volumen und den Druck an den Punkten B und C des Zyklus bestimmen, um die durchgeführte Nettoarbeit zu bestimmen.

Das Volumen am Punkt, an dem es in Zylinder mit der Luft -Benzinmischung gefüllt wurde. Am Punkt B ist das Volumen VB = VA / R = 200 ccm.

Das Volumen an Punkt C beträgt ebenfalls 200 ccm.

Druckberechnung in A, B und C

Punkt Ein Druck ist atmosphärischer Druck. Der Druck an Punkt B kann unter Verwendung von Poissons Beziehung für einen adiabatischen Prozess berechnet werden:

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Unter Berücksichtigung, dass das Gemisch überwiegend Luft ist, die als ideales Diatomgas behandelt werden kann, nimmt der adiabatische Gamma -Koeffizient 1,4 Wert auf 1,4. Dann beträgt der Druck an Punkt B 1837,9 kPa.

Das Volumen von Punkt C ist das gleiche wie das von Punkt B, das ist 200 ccm.

Der Druck an Punkt C ist aufgrund der durch Verbrennung verursachten Temperaturerhöhung größer als in Punkt B. Um es zu berechnen, müssen wir wissen, wie viel Wärme die Verbrennung beigetragen hat.

Die durch Verbrennung bereitgestellte Wärme ist proportional zur Verbrennung der Mischung.

Verwenden der idealen Gasstatusgleichung:

Wo Rm Es ist die Luftkonstante, deren Wert 286,9 J / (kg k) beträgt und M ist die Mischmasse im Aufnahmeprozess. Löschen der Masse m der Zustandsgleichung und dem Austausch der Druck-, Temperatur- und Volumenwerte an Punkt A wird 1,78 Gramm Mischung erhalten.

Dann beträgt die durch Verbrennung beigestellte Wärme 1,78 Gramm x 850 Joule/Gramm = 1513 Joule. Dies führt zu einem Temperaturanstieg, aus dem berechnet werden kann

TB kann aus der Zustandsgleichung berechnet werden, die zu 718 K führt, und für unsere Daten beträgt der von TC resultierende Wert 1902 K.

Der Druck an Punkt C wird durch die auf diesen Punkt angewendete Zustandsgleichung gegeben, was zu 4868,6 kPa führt.

Nettoarbeit pro Zyklus stellt 838,5 Joule heraus.

-Übung 2

Bestimmen Sie die Effizienz oder Motorleistung von Übung 1. Angenommen, der Motor arbeitet bei 3000 r.P.m Bestimmen Sie die Leistung.

Lösung

Das Teilen der Nettoarbeit zwischen der Wärme, die eine Effizienz von 55,4% lieferte. Dieses Ergebnis fällt mit dem zusammen, der durch die direkte Anwendung der Effizienzformel basierend auf dem Kompressionsverhältnis erhalten wurde.

Leistung ist die Arbeit pro Zeiteinheit. 3000 r.P.M. entspricht 50 Runden pro Sekunde. Aber der Otto -Zyklus ist für zwei Wendungen des Motors abgeschlossen.

Dies bedeutet, dass in einer Sekunde der Otto -Zyklus 25 Mal wiederholt wird, so.

Dies entspricht 20,9 Kilowatt Power, die 28 Dampfpferden entsprechen.

Verweise

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3. Sevilla University. Wiki des Fallzyklus der Abteilung für angewandte Physik des Otto -Zyklus. Erholt von: Laplace.uns.Ist.
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