Cykl Otto

Otto cyklu ( proces stałej objętości ), przy czym proces porównanie dla silnika Otto , które według niemieckiego wynalazca Nicholas Otto oznaczono silnik spalinowy . Jako cykl termodynamiczny jest zgodny z ruchem wskazówek zegara, tj. H. Energia cieplna jest w energii kinetycznej ( praca przetworzona) ( silnik cieplny ). ${\ displaystyle \ rightarrow}$ 

Pojęcie przestrzeni stałej opiera się na założeniu, że dostawa ciepła odbywa się przy stałej objętości ( izochoryczna ). W przeciwieństwie do tego istnieje proces stałego ciśnienia (znany również jako cykl Diesla ), w którym ciepło jest dostarczane pod stałym ciśnieniem ( izobaryczny ). Oba procesy cykliczne nie nadają się do obliczania warunków termodynamicznych w silnikach tłokowych. W praktyce należy stosować proces w cyklu mieszanym .

Na początku XX wieku istniały turbiny gazowe o stałej przestrzeni, które wykorzystywały proces stałoprzestrzenny z cyklicznym spalaniem mieszaniny gazowej. Turbiny te , nazwane na cześć ich projektanta Hansa Holzwartha , nie potrzebowały sprężarki . Zostały wyparte przez stale pracujące turbiny gazowe.

Proces porównania

Diagram pv idealnego procesu Otto

Diagram Ts idealnego procesu Otto

Składa się z czterech zmian stanu w idealnej gazu w obrębie zamkniętego systemu . Nie wymaga więc żadnej konwersji chemicznej, ani wymiany ładunków.

• 1 - 2: kompresja izentropowa
• 2 - 3: izochoryczne dostarczanie ciepła (stąd stały proces przestrzenny!)
• 3-4: ekspansja izentropowa
• 4-1: izochoryczne rozpraszanie ciepła

Obszar ograniczony na diagramach linią 1-2-3-4 odpowiada określonej pracy w procesie . ${\ displaystyle w}$

Wydajność

W celu zilustrowania i łatwego obliczenia zmiennych stanu przyjmuje się jako czynnik roboczy idealny gaz o niezależnej od temperatury właściwej pojemności cieplnej. Sprawność cieplna idealnego procesu Otto nie zależy wtedy od ilości dostarczonego ciepła i można ją określić w następujący sposób:

${\ Displaystyle \ eta _ {th \, \ mathrm {Otto}} = 1 - {\ Frac {1} {\ varepsilon ^ {\ kappa -1}}}}$

Im wyższy stopień sprężania i wyższy wykładnik izentropowy , tym wyższa sprawność. ${\ displaystyle {\ tfrac {V_ {1}} {V_ {2}}}}$

${\ displaystyle \ V_ {1}}$ : Wielkość początkowa lub objętość rozszerzenia

${\ displaystyle \ V_ {2}}$ : Objętość kompresji

${\ Displaystyle \ varepsilon = {\ Frac {V_ {1}} {V_ {2}}}}$ : Współczynnik głośności (współczynnik kompresji)

${\ displaystyle \ kappa = {\ Frac {c_ {p}} {c_ {v}}}}$ : Wykładnik izentropowy

${\ displaystyle \ c_ {p}}$ : Ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu

${\ displaystyle \ c_ {v}}$ : Ciepło właściwe przy stałej objętości

Sprawność cieplna procesu o stałej przestrzeni jest wyższa niż w procesie o stałym ciśnieniu o tym samym stopniu sprężania .

Równania stanu zmienia się

Specyficzny dopływ ciepła lub energia grzewcza determinuje wzrost ciśnienia lub temperatury. Nie odgrywa roli w zakresie wydajności. ${\ displaystyle q_ {to}}$

${\ Displaystyle p_ {2} = p_ {1} \ cdot \ varepsilon ^ {\ kappa}}$; Ciśnienie zagęszczania

( to ciśnienie początkowe, np. 1 bar)${\ displaystyle p_ {1}}$

${\ Displaystyle T_ {2} = T_ {1} \ cdot \ varepsilon ^ {\ kappa -1}}$; Temperatura kompresji

( to temperatura początkowa przed suwem sprężania, np. 300 K)${\ displaystyle T_ {1}}$

${\ Displaystyle T_ {3} = T_ {2} + {\ Frac {q_ {to}} {c_ {v}}}}$; Temperatura po zastosowaniu ciepła (temperatura maksymalna)

( jest dostarczanym ciepłem właściwym)${\ displaystyle q_ {to}}$

${\ displaystyle p_ {3} = p_ {2} \ cdot {\ frac {T_ {3}} {T_ {2}}}}$; Ciśnienie po zastosowaniu ciepła (ciśnienie maksymalne)

${\ displaystyle p_ {4} = p_ {3} \ cdot \ varepsilon ^ {- \ kappa}}$; Ciśnienie po rozszerzeniu

Idealny silnik benzynowy

Proces porównania silników benzynowych na schemacie pV, połączenie ze stylizowaną skrzynią biegów

Idealny silnik nie ma strat rozpraszania, strat spowodowanych tarciem mechanicznym, zespołów pomocniczych, chłodzenia cylindra i strat wycieków. Gaz roboczy ma takie same właściwości w całym cyklu i nie ma strat przepływu. Nie ma mieszania mieszanki wsadowej ze spalinami.

Istnieją silniki dwu- i czterosuwowe. Cykl składa się z suwu tłoka lub połowy obrotu wału korbowego. W czterosuwowym silniku benzynowym zmiany stanu można przypisać cyklom pracy w następujący sposób:

• 1. cykl = wlot: cylinder napełnia się świeżym powietrzem 0 1.${\ displaystyle \ rightarrow}$
• 2. cykl = sprężanie i dostarczanie ciepła: izentropowe sprężanie 1 2 i izochoryczne dostarczanie ciepła przez zapalanie i spalanie ładunku gazowego 2 3 w górnym martwym punkcie, tj. Przy stałej objętości (stałe spalanie w przestrzeni ).${\ displaystyle \ rightarrow}$${\ displaystyle q_ {to}}$${\ displaystyle \ rightarrow}$
• 3. cykl = cykl roboczy: ekspansja izentropowa 3 4.${\ displaystyle \ rightarrow}$
• Cykl 4 = cykl wydmuchu (odprowadzanie ciepła): Po otwarciu zaworu wydechowego gazy wydechowe rozszerzają się na zewnątrz 41 w dolnym martwym punkcie bez dalszej pracy , a reszta jest wypychana na zewnątrz przez skok tłoka 1 0. Ciepło zawarte w spalinach jest uwalniane do otoczenia. Idealny proces nie bierze pod uwagę, że pozostała ilość w przestrzeni kompresji nie osiąga stanu otoczenia.${\ displaystyle \ rightarrow}$${\ displaystyle \ rightarrow}$${\ displaystyle q_ {from}}$

Prawdziwy silnik Otto

W prawdziwym silniku benzynowym odporność na stukanie mieszanki gazów ogranicza ciśnienie sprężania. Zmiany stanu ciągłego procesu przestrzennego nie odpowiadają rzeczywistemu silnikowi, ponieważ do spalania potrzebny jest czas (patrz poniżej). Znacznie lepsze przybliżenie uzyskuje się za pomocą odpowiednio dostosowanego procesu cyklu Seiligera . Mieszanina powietrzno-gazowa podczas sprężania i gazy palne podczas rozprężania mają różne właściwości materiałowe i są silnie zależne od temperatury (mniejszy wykładnik izentropowy i większa pojemność cieplna w wysokich temperaturach). Spaliny (spalone powietrze, głównie azot, para wodna i dwutlenek węgla) mają inne właściwości termodynamiczne niż mieszanki powietrzno-gazowe czy świeże powietrze . Dlatego proces Seiligera jest zbyt nieprecyzyjny dla realistycznych obliczeń. W porównaniu z procesem porównania rzeczywisty proces w silniku również generuje mniej pracy, ponieważ:

• zasysanie i wypychanie wiąże się ze stratami tarcia (pętla w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara między 0 a 1 na wykresie pV, praca wymiany gazowej )
• spalanie nie jest izochoryczne, ale wymaga czasu, w którym wał korbowy nadal się obraca. Dlatego zapłon następuje przed górnym martwym punktem, a spalanie jest zakończone dopiero po o. T. Szczyt na wykresie w pozycji 3 jest niższy i jest zaokrąglony.
• Część energii dostarczonej w wyniku reakcji chemicznej (oprócz niecałkowitego spalania i endotermicznego tworzenia tlenku azotu ) jest tracona bez żadnej pracy poprzez przenoszenie ciepła na ścianki cylindra. Krzywa rozszerzalności znajduje się zatem poniżej krzywej idealnej.
• zawór wydechowy jest otwierany przed dolnym martwym punktem. W punkcie 4 obszar procesu jest zaokrąglany w dół.

Stosunek pracy oddanej w silniku do teoretycznej pracy procesu nazywany jest poziomem jakości . Rzeczywiste silniki mają również mechaniczną utratę mocy od tarcia oraz wymaganą moc dla napędów pomocniczych i pomocniczych (zawory, pompy oleju i wody chłodzącej, wentylator), które mogą wynieść ok. 10% mocy znamionowej i dodatkowo obniżyć sprawność.

literatura

• Literatura z zakresu termodynamiki technicznej

Zobacz też

• Proces z równym ciśnieniem lub proces diesla
• Proces Seiligera (mieszany proces porównawczy dla silników tłokowych)
• Proces Carnota (teoretyczna maksymalna sprawność termodynamiczna)
• Proces Joule'a ( proces stałego ciśnienia w turbinie)

linki internetowe

• Uniwersytet Termodynamiczny w Monachium (PDF; 9,7 MB)
• Uni Duisburg-Essen (plik PDF; 2,50 MB)