OTTO CYCLE: MGA PHASE, PAGGANAP, APLIKASYON, NALUTAS NA PAGSASANAY - PISIKAL - 2025

Ang siklo ng Otto ay isang cycle ng thermodynamic na binubuo ng dalawang mga proseso ng isochoric at dalawang proseso ng adiabatic. Ang siklo na ito ay nangyayari sa isang compressible thermodynamic fluid. Ito ay nilikha ng engineer ng Aleman na si Nikolaus Otto sa huling bahagi ng ika-19 na siglo, na pinahusay ang panloob na pagkasunog ng engine, ang nauna sa isa na natagpuan sa mga modernong sasakyan. Kalaunan ay itinatag ng kanyang anak na si Gustav Otto ang sikat na kumpanya ng BMW.

Ang siklo ng Otto ay inilalapat sa mga panloob na engine ng pagkasunog na gumagana sa isang halo ng hangin at isang pabagu-bago ng gasolina tulad ng gasolina, gas, o alkohol, at kung saan ang pagkasunog ay sinimulan ng isang electric spark.

Larawan 1. Mga kotse sa isang kumpetisyon sa Nascar. Pinagmulan: Pixabay.

Mga phase ng Otto cycle

Ang mga hakbang ng siklo ng Otto ay:

1. Adiabatic compression (nang walang palitan ng init sa kapaligiran).
2. Pagsipsip ng enerhiya ng init sa form na isochoric (nang hindi binabago ang dami).
3. Pagpapalawak ng Adiabatic (nang walang pagpapalit ng init sa kapaligiran).
4. Ang pagpapatalsik ng enerhiya ng init sa form na isochoric (nang hindi binabago ang dami).

Ang Figure 2, na ipinakita sa ibaba, ay nagpapakita ng iba't ibang mga phase ng Otto cycle sa isang diagram ng PV (pressure-volume).

Larawan 2. diagram ng PV ng Otto cycle. Pinagmulan: ginawa ng sarili.

Application

Ang siklo ng Otto ay naaangkop nang pantay sa apat na stroke at dalawang-stroke panloob na pagkasunog.

-4-stroke engine

Ang makina na ito ay binubuo ng isa o higit pang mga piston sa isang silindro, bawat isa ay may isa (o dalawa) na mga balbula ng paggamit at isa (o dalawa) maubos na mga balbula.

Ito ay tinatawag na ganito sapagkat ang operasyon nito ay may eksaktong apat na beses o mahusay na minarkahang yugto na:

1. Ang pagpasok.
2. Kompresyon.
3. Ang pagsabog.
4. Ang pagtakas.

Ang mga yugto o oras na ito ay nangyayari sa loob ng dalawang liko ng crankshaft, dahil ang piston ay bumaba at pataas sa mga oras 1 at 2, at muli ay bumababa at pataas sa mga oras 3 at 4.

Sa ibaba inilarawan namin nang detalyado kung ano ang nangyayari sa mga yugto na ito.

Hakbang 1

Ang pagbaba ng piston mula sa pinakamataas na punto na nakabukas ang mga balbula ng paggamit at ang mga tambo ng tambutso ay sarado, upang ang halo ng hangin-gasolina ay iguguhit sa piston sa panahon ng pag-anak.

Ang paggamit ay nangyayari sa hakbang ng OA ng diagram ng Otto cycle sa atmospheric pressure PA. Sa yugtong ito ang pinaghalong air-fuel ay isinama, na kung saan ay ang compressible fluid kung saan mailalapat ang mga yugto ng AB, BC, CD at DA ng Otto cycle.

Hakbang 2

Ilang sandali bago maabot ang piston sa pinakamababang punto nito, ang parehong mga valves ay malapit. Pagkatapos ay nagsisimula itong tumaas sa paraang pinipilit nito ang pinaghalong air-fuel. Ang prosesong ito ng compression ay nangyayari nang napakabilis na ito ay nagbibigay ng halos walang init sa mga paligid. Sa siklo ng Otto tumutugma ito sa proseso ng adiabatic AB.

Hakbang 3

Sa pinakamataas na punto ng piston, kasama ang pinaghalong na-compress at ang mga balbula ay sarado, ang pagsabog ng pinaghalong sinimulan ng spark ay nangyayari. Ang pagsabog na ito ay napakabilis na ang piston ay bahagyang bumaba.

Sa siklo ng Otto ay tumutugma ito sa proseso ng isochoric BC kung saan ang init ay na-injected nang walang pinahahalagahan na pagbabago ng lakas ng tunog, dahil dito nadaragdagan ang presyon ng pinaghalong. Ang init ay ibinibigay ng kemikal na reaksyon ng pagkasunog ng oxygen sa hangin na may gasolina.

Hakbang 4

Lumalawak ang mataas na presyon ng presyon na nagiging sanhi ng pagbaba ng piston habang ang mga balbula ay nananatiling sarado. Ang prosesong ito ay nangyayari nang napakabilis na ang pagpapalitan ng init sa labas ay bale-wala.

Sa puntong ito ang positibong gawain ay ginagawa sa piston, na ipinadala sa pamamagitan ng pagkonekta ng baras sa crankshaft na gumagawa ng motibo na puwersa. Sa siklo ng Otto tumutugma ito sa proseso ng adiabatic CD.

Hakbang 5

Sa panahon ng mas mababang bahagi ng stroke, ang init ay pinatalsik sa pamamagitan ng silindro papunta sa nagpapalamig, nang walang pagbabago sa dami nang nagpapasalamat. Sa siklo ng Otto ay tumutugma ito sa proseso ng DA isochoric.

Hakbang 6

Sa pangwakas na bahagi ng piston stroke, ang sinusunog na halo ay pinalayas ng maubos na balbula na nananatiling bukas, habang sarado ang intake valve. Ang pagtakas ng mga nasusunog na gas ay nangyayari sa hakbang ng AO sa diagram ng ikot ng Otto.

Ang buong proseso ay paulit-ulit sa pagpasok sa pamamagitan ng paggamit ng balbula ng paggamit ng isang bagong pinaghalong air-fuel.

Larawan 3. Four-stroke engine. Pinagmulan: pixabay

Ang gawaing net na ginawa sa siklo ng Otto

Ang siklo ng Otto ay gumagana tulad ng isang heat engine at pinapatakbo sa isang sunud-sunod na direksyon.

Ang gawaing ginawa ng isang gas na nagpapalawak ng mga dingding na naglalaman nito ay kinakalkula ng mga sumusunod na pormula:

Kung saan ang Vi ang paunang dami at Vf ang pangwakas na dami.

Sa isang thermodynamic cycle ang gawa ng net ay tumutugma sa lugar na nakapaloob sa siklo ng diagram ng P - V.

Sa kaso ng Otto cycle, tumutugma ito sa gawaing mekanikal na ginawa mula sa A hanggang B kasama ang gawaing mekanikal na ginawa mula C hanggang D. Sa pagitan ng B at C ang gawaing ginagawa ay zero dahil walang pagbabago sa dami. Katulad sa pagitan ng D at A ang gawain ay walang bisa.

Ang gawaing ginawa mula A hanggang B

Ipagpalagay na nagsisimula tayo mula sa punto A, kung saan ang dami nito Va, ang presyon nito na Pa at ang temperatura nito ay kilala ang Ta.

Mula sa punto A hanggang point B ay isinasagawa ang compression ng pagpapatibay. Sa ilalim ng mga kondisyon na quasi-static, ang mga proseso ng adiabatic ay sumusunod sa batas ni Poisson, na nagsasaad na:

Kung saan adi ay tinukoy ng adiabatic quient bilang quient sa pagitan ng tukoy na init sa pare-pareho ang presyon at ang tiyak na init sa pare-pareho ang dami.

Kaya ang gawaing ginawa mula A hanggang B ay kinakalkula ng kaugnayan:

Matapos makuha ang integral at paggamit ng ratio ng Poisson para sa proseso ng adiabatic, mayroon kami:

Kung saan r ang compression ratio r = Va / Vb.

Ang gawaing ginawa mula C hanggang D

Katulad nito ang gawaing ginawa mula C hanggang D ay kinakalkula ng integral:

Kaninong resulta

Kung saan r = Vd / Vc = Va / Vb ang ratio ng compression.

Ang gawaing net ay ang kabuuan ng dalawang trabaho:

Net heat sa Otto cycle

Sa mga proseso mula A hanggang B at mula C hanggang D walang palitan ng init sapagkat sila ay mga proseso ng adiabatic.

Para sa proseso mula B hanggang C, walang ginagawa at ang init na inilabas ng pagkasunog ay nagdaragdag ng panloob na enerhiya ng gas at samakatuwid ang temperatura nito mula sa Tb hanggang Tc.

Katulad nito, sa proseso mula D hanggang A mayroong heat transfer na kinakalkula rin bilang:

Ang net heat ay magiging:

pagganap

Ang pagganap o kahusayan ng isang cyclic motor ay kinakalkula sa pamamagitan ng paghahanap ng quotient sa pagitan ng mga gawaing net at ang init na ibinibigay sa system para sa bawat pag-ikot ng operasyon.

Kung sa naunang pagpapahayag ang mga nakaraang resulta ay nahalili at din ang pagpapalagay na ginawa na ang halo ng gasolina ng gasolina ay kumikilos bilang isang mainam na gas, kung gayon ang teoretikal na kahusayan ng siklo ay naabot, na nakasalalay lamang sa ratio ng compression:

Malutas ang pag-eehersisyo ng Otto cycle

-Ehersisyo 1

Ang isang 1500 cc four-stroke na gasolina engine na may 7.5 na compression ratio ay gumagana sa isang kapaligiran na may presyon ng atmospera na 100 kPa at 20 degree Celsius. Alamin ang gawaing net na ginagawa bawat ikot. Ipagpalagay na ang pagkasunog ay nag-aambag ng 850 Joules para sa bawat gramo ng pinaghalong air-fuel.

Solusyon

Ang expression ng netong trabaho ay dati nang kinakalkula:

Kailangan naming matukoy ang dami at presyon sa mga puntos B at C ng siklo upang matukoy ang gawaing net.

Ang lakas ng tunog sa punto A kung saan ang silindro ay napuno ng air-gasolina na pinaghalong ay ang 1500 cc displacement. Sa puntong B ang lakas ng tunog ay Vb = Va / r = 200 cc.

Ang dami sa point C ay 200 cc din.

Pagkalkula ng presyon sa A, B at C

Ang presyon sa punto A ay ang presyon ng atmospera. Ang presyon sa point B ay maaaring kalkulahin gamit ang ratio ng Poisson para sa isang proseso ng adiabatic:

Isinasaalang-alang na ang halo ay higit sa lahat hangin na maaaring tratuhin bilang isang diatomic ideal na gas, ang koepisyent ng gamma adiabatic ay tumatagal ng halaga 1.4. Pagkatapos ang presyon sa point B ay 1837.9 kPa.

Ang dami ng point C ay pareho sa punto ng B, iyon ay 200 cc.

Ang presyon sa point C ay mas mataas kaysa sa point B dahil sa pagtaas ng temperatura na sanhi ng pagkasunog. Upang makalkula ito kailangan nating malaman kung magkano ang init ng pagkasunog na nag-ambag.

Ang init na naiambag ng pagkasunog ay proporsyonal sa dami ng pinaghalong sinusunog.

Gamit ang perpektong equation ng gas ng estado:

Kaya ang init na naambag ng pagkasunog ay 1.78 gramo x 850 Joules / gramo = 1513 Joules. Nagdudulot ito ng pagtaas ng temperatura na maaaring makalkula mula sa

Ang Tb ay maaaring kalkulahin mula sa equation ng estado na nagreresulta sa 718 K, kaya para sa aming data, ang nagresultang halaga ng Tc ay 1902 K.

Ang presyon sa point C ay ibinibigay ng equation ng estado na inilalapat sa puntong iyon na nagreresulta sa 4868.6 kPa.

Ang net work bawat cycle ay pagkatapos ay 838.5 Joules.

-Exercise 2

Alamin ang kahusayan o pagganap ng motor mula sa Ehersisyo 1. Ipinapalagay na ang motor ay tumatakbo sa 3000 rpm, alamin ang lakas.

Solusyon

Ang paghihiwalay ng netong gawa ng init na ibinibigay ng init ay nagbibigay ng isang kahusayan ng 55.4%. Ang resulta na ito ay nag-tutugma sa na nakuha ng direktang aplikasyon ng formula para sa kahusayan bilang isang function ng compression ratio.

Ang lakas ay ang gawaing ginagawa sa bawat yunit ng oras. Ang 3000 rpm ay katumbas ng 50 rebolusyon bawat segundo. Ngunit ang siklo ng Otto ay nakumpleto para sa bawat dalawang rebolusyon ng engine dahil ito ay isang four-stroke engine, tulad ng ipinaliwanag namin kanina.

Nangangahulugan ito na sa isang segundo ang siklo ng Otto ay paulit-ulit na 25 beses upang ang gawaing nagawa ay 25 x 838.5 Joules sa isang segundo.

Ito ay tumutugma sa 20.9 kilowatt ng kapangyarihan na katumbas ng 28 lakas-kabayo.

Mga Sanggunian

1. Thermodynamic cycle. Nabawi mula sa: fis.puc.cl
2. Martín, T. at Serrano, A. Otto cycle. Nabawi mula sa: 2.montes.upm.es.
3. Sevilla University. Wiki ng Kagawaran ng Applied Physics Otto cycle case study. Nabawi mula sa: laplace.us.es.
4. Wikipedia. Otto cycle. Nabawi mula sa: es.wikipedia.com
5. Wikipedia. Otto engine. Nabawi mula sa: es.wikipedia.com