OTTO CIKLS: FĀZES, IZPILDĪJUMS, PIELIETOJUMS, ATRISINĀTIE VINGRINĀJUMI - FIZISKĀ - 2025

Otto cikls ir termodinamisks cikls, kas sastāv no diviem isochoric procesu un divas adiabatiskā procesiem. Šis cikls notiek uz saspiežama termodinamiska šķidruma. To 19. gadsimta beigās izveidoja vācu inženieris Nikolaus Otto, kurš pilnveidoja iekšdedzes dzinēju, kas bija priekšgājējs tam, kas atrodams mūsdienu automašīnās. Vēlāk viņa dēls Gustavs Otto nodibināja slaveno BMW uzņēmumu.

Otto cikls tiek piemērots iekšdedzes dzinējiem, kas darbojas ar gaisa un gaistošu degvielu, piemēram, benzīnu, gāzi vai spirtu, un kuru degšanu sāk ar elektrisko dzirksteli.

1. attēls. Automašīnas Nascar sacensībās. Avots: Pixabay.

Otto cikla fāzes

Otto cikla soļi ir:

1. Adiabātiska saspiešana (bez siltuma apmaiņas ar vidi).
2. Siltumenerģijas absorbcija izohoriskā formā (nemainot tilpumu).
3. Adiabātiska izplešanās (bez siltuma apmaiņas ar vidi).
4. Siltumenerģijas izvadīšana izohoriskā formā (nemainot tilpumu).

2. attēlā, kas parādīts zemāk, PV (spiediena un tilpuma) diagrammā parādītas dažādas Otto cikla fāzes.

2. attēls. Otto cikla PV diagramma. Avots: pašu gatavots.

Pieteikums

Otto cikls vienādi attiecas uz četrtaktu un divtaktu iekšdedzes dzinējiem.

-4-taktu motors

Šis motors sastāv no viena vai vairākiem virzuļiem cilindrā, katrs ar vienu (vai diviem) ieplūdes vārstiem un vienu (vai diviem) izplūdes vārstiem.

Tas tiek nosaukts tāpēc, ka tā darbībai ir precīzi četras reizes vai labi iezīmētas pakāpes, kas ir:

1. Uzņemšana.
2. Saspiešana.
3. Sprādziens.
4. Bēgšana.

Šie posmi vai laiki notiek kloķvārpstas divos pagriezienos, jo virzulis virzās uz leju un uz augšu reizes 1 un 2, un atkal iet uz leju un uz augšu reizes 3 un 4.

Zemāk mēs sīki aprakstīsim, kas notiek šajos posmos.

1. solis

Virzuļa nolaišana no augstākā punkta ar atvērtiem ieplūdes vārstiem un aizvērtiem izplūdes vārstiem tā, lai gaisa un degvielas maisījums tā ielaišanas laikā tiktu ievilkts virzulī.

Ievadīšana notiek Otto cikla diagrammas OA posmā pie atmosfēras spiediena PA. Šajā posmā ir iestrādāts gaisa un degvielas maisījums, kas ir saspiežams šķidrums, uz kura tiks piemēroti Otto cikla AB, BC, CD un DA posmi.

2. solis

Neilgi pirms virzulis sasniedz zemāko punktu, abi vārsti aizveras. Tad tas sāk celties tādā veidā, ka tas saspiež gaisa un degvielas maisījumu. Šis saspiešanas process notiek tik ātri, ka tas praktiski neizdala siltumu apkārtnei. Otto ciklā tas atbilst adiabātiskajam procesam AB.

3. solis

Virzuļa augstākajā punktā, maisījumu saspiežot un vārstus aizverot, notiek dzirksteles izraisīta maisījuma eksplozīva sadegšana. Šis sprādziens notiek tik ātri, ka virzulis tik tikko ir nolaidies.

Otto ciklā tas atbilst BC izohoriskajam procesam, kurā siltums tiek ievadīts bez ievērojamām tilpuma izmaiņām, attiecīgi palielinot maisījuma spiedienu. Siltumu nodrošina skābekļa sadegšanas ķīmiskā reakcija gaisā ar degvielu.

4. solis

Augstspiediena maisījums izplešas, izraisot virzuļa nolaišanos, kamēr vārsti paliek aizvērti. Šis process notiek tik ātri, ka siltuma apmaiņa ar ārpusi ir niecīga.

Šajā brīdī tiek veikts pozitīvs darbs pie virzuļa, kuru ar savienojošo stieni pārraida uz kloķvārpstas, kas rada virzošo spēku. Otto ciklā tas atbilst adiabātiskā procesa kompaktdiskam.

5. solis

Strāvas apakšējā daļā siltums tiek izvadīts caur balonu dzesēšanas šķidrumā, ievērojami nemainoties tilpumam. Otto ciklā tas atbilst DA izohoriskajam procesam.

6. solis

Virzuļa gājiena pēdējā daļā sadegušo maisījumu izvada ar izplūdes vārstu, kas paliek atvērts, bet ieplūdes vārsts ir aizvērts. Sadegušo gāzu izplūde notiek AO darbības laikā Otto cikla diagrammā.

Viss process tiek atkārtots, ievadot jaunu gaisa un degvielas maisījumu caur ieplūdes vārstu.

3. attēls. Četrtaktu motors. Avots: pixabay

Netto darbs, kas veikts Otto ciklā

Otto cikls darbojas kā siltuma dzinējs, un to darbina pulksteņa rādītāja virzienā.

Darbu W, ko veic gāze, kas izplešas sienas, kas to satur, aprēķina pēc šādas formulas:

Kur Vi ir sākotnējais tilpums un Vf galīgais tilpums.

Termodinamiskā ciklā neto darbs atbilst laukumam, kas ietverts P - V diagrammas ciklā.

Otto cikla gadījumā tas atbilst mehāniskajam darbam, kas veikts no A līdz B, kā arī mehāniskajam darbam, kas veikts no C līdz D. Starp B un C paveiktais ir nulle, jo apjoma izmaiņas nemainās. Līdzīgi starp D un A darbs nav spēkā.

Darbs veikts no A līdz B

Pieņemsim, ka mēs sākam no punkta A, kur ir zināms tā tilpums Va, spiediens Pa un temperatūra Ta.

No punkta A līdz punktam B tiek veikta adiabātiska saspiešana. Kvazistatiskos apstākļos adiabātiskie procesi atbilst Puasona likumiem, kas nosaka, ka:

Kur γ ir adiabātiskais koeficients, kas noteikts kā koeficients starp īpatnējo siltumu pie pastāvīga spiediena un īpatnējo siltumu pie pastāvīga tilpuma.

Tātad paveiktais darbs no A līdz B tiks aprēķināts pēc attiecības:

Pēc integrāļa ņemšanas un Puasona koeficienta izmantošanas adiabātiskiem procesiem, mums ir:

Kur r ir kompresijas pakāpe r = Va / Vb.

Darbs veikts no C līdz D

Līdzīgi darbu, kas veikts no C līdz D, aprēķina pēc integrala:

Kura rezultāts ir

Kur r = Vd / Vc = Va / Vb ir kompresijas pakāpe.

Neto darbs būs divu darba vietu summa:

Tīrais siltums Otto ciklā

Procesos no A līdz B un no C līdz D siltums netiek apmainīts, jo tie ir adiabātiski procesi.

Procesa laikā no B līdz C netiek veikts nekāds darbs, un sadegšanas rezultātā radītais siltums palielina gāzes iekšējo enerģiju un līdz ar to tās temperatūru no Tb līdz Tc.

Tāpat procesā no D uz A notiek siltuma pārnese, ko arī aprēķina šādi:

Neto siltums būs:

izpildījums

Cikliskā motora veiktspēju vai efektivitāti aprēķina, atrodot koeficientu starp padarīto neto darbu un siltumu, kas tiek piegādāts sistēmai katrā darbības ciklā.

Ja iepriekšējā izteiksmē tiek aizstāti iepriekšējie rezultāti un arī tiek pieņemts, ka degvielas un gaisa maisījums darbojas kā ideāla gāze, tad tiek sasniegta cikla teorētiskā efektivitāte, kas ir atkarīga tikai no kompresijas pakāpes:

Otto ciklā atrisināti vingrinājumi

-Uzdevums 1

1500 cm3 četrtaktu benzīna motors ar 7,5 kompresijas pakāpi darbojas vidē ar atmosfēras spiedienu 100 kPa un 20 grādiem pēc Celsija. Nosakiet vienā ciklā veikto neto darbu. Pieņemsim, ka degšana dod 850 džoulus par katru gramu gaisa un degvielas maisījuma.

Risinājums

Tīrā darba izteiksme iepriekš tika aprēķināta:

Mums jānosaka tilpums un spiediens cikla punktos B un C, lai noteiktu veikto neto darbu.

Tilpums punktā A, kur balons ir piepildīts ar gaisa un benzīna maisījumu, ir 1500 cc pārvietojums. B punktā tilpums ir Vb = Va / r = 200 cc.

Tilpums punktā C ir arī 200 cm3.

Spiediena aprēķins pie A, B un C

Spiediens punktā A ir atmosfēras spiediens. Spiedienu punktā B var aprēķināt, izmantojot Puasona attiecību adiabātiskajam procesam:

Ņemot vērā, ka maisījumā pārsvarā ir gaiss, ko var uzskatīt par diatomisku ideālu gāzi, gamma adiabātiskais koeficients iegūst vērtību 1,4. Tad spiediens punktā B būs 1837,9 kPa.

C punkta tilpums ir tāds pats kā punkta B tilpums, tas ir, 200 cm3.

Spiediens punktā C ir augstāks nekā punktā B temperatūras paaugstināšanās dēļ, ko izraisa degšana. Lai to aprēķinātu, mums jāzina, cik lielu siltumu ir devusi degšana.

Sadegšanas radītais siltums ir proporcionāls sadedzinātā maisījuma daudzumam.

Izmantojot ideālo gāzes stāvokļa vienādojumu:

Tātad sadegšanas radītais siltums ir 1,78 grami x 850 džouli / gram = 1513 džouli. Tas izraisa temperatūras paaugstināšanos, kuru var aprēķināt no

Tb var aprēķināt no stāvokļa vienādojuma, kura rezultāts ir 718 K, tāpēc mūsu datiem iegūtā Tc vērtība ir 1902 K.

Spiedienu C punktā izsaka ar stāvokļa vienādojumu, kas piemērots šim punktam, iegūstot 4868,6 kPa.

Neto darbs vienā ciklā ir 838,5 džouli.

- 2. vingrinājums

No 1. vingrinājuma nosakiet motora efektivitāti vai veiktspēju. Pieņemot, ka motors darbojas ar ātrumu 3000 apgr./min, nosakiet jaudu.

Risinājums

Sadalot tīkla darbu ar piegādāto siltumu, efektivitāte ir 55,4%. Šis rezultāts sakrīt ar rezultātu, kas iegūts, tieši piemērojot efektivitātes formulu kā kompresijas pakāpes formulu.

Jauda ir darbs, kas veikts vienā laika vienībā. 3000 apgr./min ir vienāds ar 50 apgriezieniem sekundē. Bet Otto cikls tiek pabeigts par katriem diviem motora apgriezieniem, jo ​​tas, kā mēs paskaidrojām iepriekš, ir četrtaktu motors.

Tas nozīmē, ka vienā sekundē Otto cikls tiek atkārtots 25 reizes, tāpēc padarītais darbs ir 25 x 838,5 džouli vienā sekundē.

Tas atbilst 20,9 kilovatiem jaudas, kas ekvivalenta 28 zirgspēkiem.

Atsauces

1. Termodinamiskie cikli. Atgūts no: fis.puc.cl
2. Martina, T. un Serrano, A. Otto cikls. Atgūts no: 2.montes.upm.es.
3. Seviļas universitāte. Lietišķās fizikas katedras Wiki Otto cikla gadījuma izpēte. Atgūts no: laplace.us.es.
4. Wikipedia. Otto cikls. Atgūts no: es.wikipedia.com
5. Wikipedia. Otto dzinējs. Atgūts no: es.wikipedia.com