Otto -vaiheet, suorituskyky, sovellukset, ratkaistut harjoitukset

Hän Otto -sykli Se on termodynaaminen sykli, joka koostuu kahdesta isokorialaisesta prosessista ja kahdesta adiabaattisesta prosessista. Tämä sykli tapahtuu puristuvassa termodynaamisessa nesteessä. Sen on luonut saksalainen insinööri Nikolaus Otto 1800 -luvun lopulla, joka paransi polttomoottoria, edeltäjänä, josta modernit autot kantavat. Myöhemmin hänen poikansa Gustav Otto löysi kuuluisan BMW -yhtiön.

Otto -sykli koskee polttomoottoreja, jotka toimivat ilman seoksella ja haihtuvaa polttoainetta, kuten bensiiniä, kaasua tai alkoholia, ja jonka palaminen alkaa sähköisellä kipinällä.

Kuvio 1. Autot NASCAR -kilpailussa. Lähde: Pixabay.

[TOC]

Otto -syklivaiheet

Otto -syklin vaiheet ovat:

1. Adiabaattinen puristus (ilman lämmönvaihtoa ympäristön kanssa).
2. Kalorien energian imeytyminen isocoric -muodossa (muuttamatta tilavuutta).
3. Adiabaattinen laajennus (ilman lämmönvaihtoa ympäristön kanssa).
4. Kalorien energian karkottaminen isokorgiassa (muuttamatta tilavuutta).

Kuvio 2, joka on esitetty alla, esitetään P -V -kaaviossa (paine - tilavuus) OTTO -syklin eri vaiheissa.

Kuva 2. Otto-syklin p-V-kaavio. Lähde: Itse tehty.

Soveltaminen

Otto -sykli koskee yhtäläisesti neljään -uran sisäisen polttomoottorin ja kahden raoneen.

-4 -osainen moottori

Tämä moottori koostuu yhdestä tai useammasta sylinterin männästä, jokaisella on yksi (tai kaksi) imuventtiiliä ja yksi (tai kaksi) pakoventtiiliä.

Sitä kutsutaan, koska sen operaatiossa on vain neljä hyvin merkittyä vaihetta tai vaiheita, jotka ovat:

1. Pääsy.
2. Puristus.
3. Räjähdys.
4. Pako.

Näitä vaiheita tai aikoja esiintyy kampiakselin kahdella kierroksella, koska mäntä laskee ja nousee aikoina 1 ja 2, ja taas laskee ja nousee aikoina 3 ja 4.

Seuraavaksi kuvailemme, mitä näissä vaiheissa tapahtuu.

Vaihe 1

Männän laskeutuminen korkeimmasta pisteestä avoimilla imuventtiileillä ja suljetulla pakokaasulla, niin että mäntä imee ilmapolttoaineen seosta.

Pääsy tapahtuu OA -passin aikana. Tässä vaiheessa ilma -polttoaineseos on sisällytetty, mikä on puristuva neste, jolle OTTO -syklin vaiheet AB, BC, CD ja DA levitetään.

Vaihe 2

Hieman ennen mäntä saavuttaa alimman pisteen, molemmat venttiilit sulkeutuvat. Sitten se alkaa kiivetä niin, että se puristaa ilma-polttoaineen seoksen. Tämä puristusprosessi tapahtuu niin nopeasti, että se käytännössä ei anna lämpöä ympäristölle. Otto -syklissä se vastaa adiabaattista prosessia AB.

Voi palvella sinua: Neptune (planeetta)

Vaihe 3

Männän korkeimmassa pisteessä puristetun seoksen ja suljetun venttiilin kanssa kipinän aloittavan seoksen räjähtävä palaminen tapahtuu. Tämä räjähdys on niin nopea, että mäntä on tuskin laskeutunut.

OTTO -syklissä vastaa BC -isocoric -prosessia, jossa lämpöä injektoidaan ilman huomattavaa tilavuuden muutosta, mikä lisää seoksen painetta. Lämpö saadaan ilman hapen kemiallinen palamisreaktio polttoaineen kanssa.

Vaihe 4

Korkeapaine -seos laajenee, että mäntä laskeutuu, kun venttiilit pysyvät kiinni. Tämä prosessi tapahtuu niin nopeasti, että lämmönvaihto ulkopuolelta on vähäinen.

Tässä vaiheessa männän positiivinen työ tehdään, jonka liitäntävarsi välittää kampiakseliin, joka tuottaa moottorin voimaa. Otto -syklissä vastaa adiabaattista prosessin CD -levyä.

Vaihe 5

Reitin pienimmän osan aikana lämpö karkotetaan sylinterin läpi kylmäaineelle ilman, että tilavuus muuttuu. Otto -syklissä se vastaa isocorista prosessia.

Vaihe 6

Männän reitin viimeisessä osassa seos, joka on poltettu avoimesta pakoventtiilistä, karkotetaan, kun taas sisäänpääsy on suljettu. Poltettujen kaasujen poistuminen tapahtuu AO -vaiheen aikana Otto -syklikaaviossa.

Koko prosessi toistetaan sisäänkäynnin myötä uuden ilma-polttoaineen seoksen sisäänpääsyventtiilin kautta.

Kuva 3. Nelitahtimoottori. Lähde: Pixabay

Nettotyöt tehdään Otto -syklissä

OTTO -sykli toimii lämpömoottorina ja sitä kuljetetaan aikataulussa.

W -työ, joka suorittaa kaasua, joka laajentaa sitä sisältäviä seiniä, lasketaan seuraavalla kaavalla:

Missä VI on alkutilavuus ja lopullinen tilavuus.

Termodynaamisessa syklissä nettotyö vastaa P - V -kaavion syklissä olevaa aluetta.

OTTO -syklin tapauksessa vastaa mekaanista työtä, joka tehdään A: sta B: hen B: hen ja mekaaninen työ, joka tehdään C: stä D: stä. B: n ja C: n välillä tehdyt työt ovat tyhjiä, koska äänenvoimakkuuden muutosta ei tapahdu. Samanlainen D: n ja työn välillä on mitätön.

Työ tehdään A: sta B: hen

Oletetaan.

Se voi palvella sinua: magneettinen induktio: kaavat, miten se lasketaan ja esimerkkejä

Pisteestä A pisteeseen B suoritetaan adiabaattinen puristus. Kvasiestisen olosuhteissa adiabaattiset prosessit noudattavat Poissonin lakia, joka osoittaa, että:

Missä γ on adiabaattinen jakaminen, joka on määritelty suhteessa spesifisen lämmön väliseen vakiopaineeseen, joka on tietyn lämmön välinen vakiotilavuus.

Niin että A: sta B: stä B lasketaan suhteen kautta:

Kun olet ottanut integraalin ja käyttänyt Poissonin suhdetta adiabaattiseen prosessiin, sinulla on:

Missä r - Se on pakkaussuhde R = VA/VB.

Työskentely C: stä D: ksi

Samoin C: stä D: stä D -työstö lasketaan integraalilla:

Kenen tulos on

Olemus R = vd/vc = va/vb Puristussuhde.

Nettotyö on kahden teoksen summa:

Nettolämpö Otto -syklissä

A -B: n ja C: stä D -prosesseissa lämpöä ei vaihdeta, koska ne ovat adiabaattisia prosesseja.

B A C -prosessissa työtä ei tehdä, ja palamisen osoittama lämpö lisää kaasun sisäistä energiaa ja siksi sen tuberkuloosin lämpötila TC: hen.

Samoin D -prosessissa on lämmönmääritys, joka on myös laskettu seuraavasti:

Nettolämpö on:

Esitys

Syklisen moottorin suorituskyky tai tehokkuus lasketaan löytämällä suhde tehdyn nettotyön ja järjestelmään toimitetun lämmön välillä jokaiselle käyttöjaksolle.

Jos yllä olevat tulokset korvataan edellisessä lausekkeessa ja olettamusta oletetaan myös, että polttoaineen ilma -seos käyttäytyy ihanteellisena kaasuna, syklin teoreettinen tehokkuus saavutetaan, mikä riippuu vain puristussuhteesta:

Otto -sykliharjoitukset

-Harjoitus 1

Neljän asteen sylinterimäinen bensiinimoottori ja puristussuhde 7,5 toimii ilmakehän paineympäristössä 100 kPa ja 20 celsiusastetta. Määritä syklin mukaan tehty nettotyö. Oletetaan, että palaminen tarjoaa 850 joulia jokaiselle grammalle ilmaseoksesta - polttoainetta.

Ratkaisu

Nettotyön ilmaisu oli aiemmin laskettu:

Meidän on määritettävä syklin tilavuus ja paine pisteissä B ja C suoritetun nettotyön määrittämiseksi.

Tilavuus pisteessä, jossa se on täytetty sylinterinä ilma -bensiiniseoksella on siirtymä 1500 cm3. Kohdassa B tilavuus on vb = va / r = 200 cm3.

Tilavuus C: ssä on myös 200 cm3.

Paineen laskenta A, B ja C

Piste Paine on ilmakehän paine. Paine pisteessä B voidaan laskea Poissonin suhdetta adiabaattiseen prosessiin:

Voi palvella sinua: mikä on sähkö? (Kokeella)

Kun otetaan huomioon, että seos on pääosin ilmaa, jota voidaan käsitellä ihanteellisena diatomisena kaasuna, gamma -adiabaattinen kerroin on arvo 1,4. Sitten paine pisteessä B on 1837,9 kPa.

Pisteen C tilavuus on sama kuin piste B, eli 200 cm3.

Paine pisteessä C on suurempi kuin kohdassa B palamisen aiheuttaman lämpötilan nousun vuoksi. Sen laskemiseksi meidän on tiedettävä, kuinka paljon lämpöä palaminen on vaikuttanut.

Palamisen aiheuttama lämpö on verrannollinen palaneen seoksen määrään.

Ihanteellisen kaasun tilayhtälön käyttäminen:

Missä Rm Se on ilmavakio, jonka arvo on 286,9 j / (kg k) ja m on sekoitusprosessissa otettu sekoitusmassa. Tilan yhtälön massa M: n puhdistaminen ja paine-, lämpötila- ja tilavuusarvojen korvaaminen pisteessä A saadaan 1,78 grammaa seosta.

Sitten palamisen aiheuttama lämpö on 1,78 grammaa x 850 Joules/Gram = 1513 Joules. Tämä aiheuttaa lämpötilan nousun, josta voidaan laskea

TB voidaan laskea tilayhtälöstä, joka johtaa 718 K: ään, sitten tietojen mukaan TC: stä johtuva arvo on 1902 K.

Paine pisteessä C saadaan kyseiseen pisteeseen sovelletulla tilayhtälöllä, mikä johtaa 4868,6 kPa.

Nettotyö sykliä kohti osoittautuu 838,5 Joulesia.

-Harjoitus 2

Määritä harjoituksen 1 tehokkuus tai moottorin suorituskyky. Olettaen, että moottori toimii 3000 r.p.m määrittää voiman.

Ratkaisu

Nettotyön jakaminen saadaan 55,4%: n tehokkuuden välillä. Tämä tulos osuu samaan aikaan saatujen tehokkuuskaavan suoran soveltamisen kanssa puristussuhteen perusteella.

Virta on työyksikköä kohti tehty työ. 3000 r.p.m. vastaa 50 kierrosta sekunnissa. Mutta Otto -sykli on valmis moottorin jokaiselle kierrokselle, koska se on neljä -osainen, kuten edellä selitimme.

Tämä tarkoittaa, että sekunnissa Otto -sykli toistetaan 25 kertaa, joten tehty työ on 25 x 838,5 Joules sekunnissa.

Tämä vastaa 20,9 kilowattia tehoa, joka vastaa 28 höyryhevosta.

Viitteet

1. Termodynaamiset syklit. Toipunut: fis.Pukki.Cl
2. Martín, t. Ja Serrano,. Otto -sykli. Toipunut: 2.Montes.Kisko.On.
3. Sevillan yliopisto. Wiki Otto -syklin soveltavan fysiikan laitoksen tapaussyklistä. Toipunut: Laplace.meille.On.
4. Wikipedia. Otto -sykli. Palautettu: on.Wikipedia.com
5. Wikipedia. Otto -moottori. Palautettu: on.Wikipedia.com