Fyzický

Fázy Otto, výkon, aplikácie, vyriešené cvičenia

Fázy Otto, výkon, aplikácie, vyriešené cvičenia

On Cyklus Je to termodynamický cyklus, ktorý sa skladá z dvoch izokorických procesov a dvoch adiabatických procesov. Tento cyklus sa vyskytuje na stlačiteľnej termodynamickej tekutine. Bol vytvorený nemeckým inžinierom Nikolaus Otto na konci 19. storočia, ktorý zdokonalil motor vnútorného spaľovania, predchodca, z ktorého moderné autá nosia. Neskôr jeho syn Gustav Otto našiel slávnu spoločnosť BMW.

Cyklus Otto sa vzťahuje na motory vnútorného spaľovania, ktoré pracujú so zmesou vzduchu a prchavé palivo, ako je benzín, plyn alebo alkohol, a ktorých spaľovanie začína elektrickou iskrom.

postava 1. Autá v súťaži NASCAR. Zdroj: Pixabay.

[TOC]

Fázy cyklu Otto

Kroky cyklu Otto sú:

  1. Adiabatická kompresia (bez výmeny tepla s prostredím).
  2. Absorpcia kalorickej energie v izokorickej forme (bez zmeny objemu).
  3. Adiabatická expanzia (bez výmeny tepla s prostredím).
  4. Vylúčenie kalorickej energie v izokorickej forme (bez zmeny objemu).

Obrázok 2, ktorý je znázornený nižšie, zobrazuje v diagrame p -V (tlak - objem) rôzne fázy cyklu Otto.

Obrázok 2. P-V diagram cyklu Otto. Zdroj: Self Made.

Aplikácia

Cyklus Otto sa vzťahuje rovnako na štyri vnútorné spaľovacie motory a dva -strike.

-Motor so 4 -strikom

Tento motor sa skladá z jedného alebo viacerých piestov vo valci, každý s jedným (alebo dvoma) sačnými ventilmi a jedným (alebo dvoma) výfukovými ventilmi.

Je to takzvané, pretože jej prevádzka má iba štyri dobre označené etapy alebo etapy, ktoré sú:

  1. Vstup.
  2. Kompresia.
  3. Výbuch.
  4. Útek.

Tieto fázy alebo časy sa vyskytujú pri dvoch zákrutách kľukového hriadeľa, pretože piest klesá a stúpa v časoch 1 a 2 a opäť klesá a stúpa v časoch 3 a 4.

Ďalej popíšeme, čo sa stane počas týchto etáp.

Krok 1

Zostup piesty z najvyššieho bodu s otvorenými sačnými ventilmi a uzavretými výfukami, takže zmes vzduchového paliva sa počas jeho zostupu usiluje piest.

Prijatie sa vyskytuje počas priechodu OA. V tejto fáze bola začlenená zmes vzduchu a paliva, ktorá je komprimovateľnou tekutinou, na ktorej sa použijú fázy AB, BC, CD a DA z cyklu OTTO.

Krok 2

Trochu pred tým, ako piest dosiahne najnižší bod oba ventily. Potom začne stúpať tak, aby komprimoval zmes vzduchového paliva. Tento proces kompresie sa vyskytuje tak rýchlo, že prakticky nedáva životnému prostrediu teplo. V cykle Otto zodpovedá adiabatickému procesu AB.

Môže vám slúžiť: Neptún (planéta)

Krok 3

V najvyššom bode piestu, so stlačenou zmesou a uzavretými ventilmi. Táto explózia je taká rýchla, že piest sotva zostúpil.

V cykle Otto zodpovedá ISOCORICKÉHO PROCESU BC, v ktorom sa teplo vstrekuje bez značnej zmeny objemu, čo následne zvyšuje tlak zmesi. Teplo je zabezpečené chemickou spaľovacou reakciou vzduchového kyslíka s palivom.

Krok 4

Vysokotlaková zmes rozširuje, že piest zostupuje, zatiaľ čo ventily zostávajú uzavreté. Tento proces sa vyskytuje tak rýchlo, že výmena tepla s vonkajšou časťou je zanedbateľná.

V tomto okamihu sa na piestu vykonáva pozitívna práca. V cykle Otto zodpovedá CD adiabatického procesu.

Krok 5

Počas najnižšej časti trasy sa teplo vylučuje valcom do chladiva bez toho, aby sa objem zmenil. V cykle Otto zodpovedá izokorickému procesu.

Krok 6

V záverečnej časti piestovej trasy je zmes spálená výfukovým ventilom, ktorý zostáva otvorený, je vylúčený, zatiaľ čo vstup je uzavretý. Únik spálených plynov sa vyskytuje počas AO kroku v diagrame cyklu Otto.

Celý proces sa opakuje s vchodom cez vstupný ventil novej zmesi vzduch-palivo.

Obrázok 3. Štvortaktný motor. Zdroj: Pixabay

Čistá práca vykonaná v cykle Otto

Cyklus Otto funguje ako tepelný motor a je cestovaný v pláne.

Práca W, ktorá vykonáva plyn, ktorý rozširuje steny, ktoré ho obsahujú, sa vypočíta podľa nasledujúceho vzorca:

Kde VI je počiatočný objem a VF konečný objem.

V termodynamickom cykle čistou prácou zodpovedá oblasti zamknutej v cykle P - V Diagram.

V prípade cyklu Otto zodpovedá mechanickej práci vykonanej z A do B plus mechanická práca vykonaná z C do D. Medzi B a C je vykonaná práca neplatná, pretože nedochádza k zmene objemu. Podobné medzi D a prácou je neplatné.

Práca vykonaná z A do B

Predpokladajme, že začíname z bodu A, v ktorom je známy jeho objem, jeho tlak PA a jeho teplota TA.

Môže vám slúžiť: magnetická indukcia: vzorce, ako sa vypočítajú a príklady

Z bodu A do bodu B sa vykonáva adiabatická kompresia. V kvázestských podmienkach adiabatické procesy dodržiavajú Poissonov zákon, ktorý to ustanovuje:

Kde γ je adiabatický kvocient definovaný ako pomer medzi špecifickým teplom pri konštantnom tlaku medzi špecifickým teplom pri konštantnom objeme.

Aby sa práca vykonaná z A do B vypočítala prostredníctvom vzťahu:

Po prevzatí integrálu a použití Poissonovho vzťahu pre adiabatický proces máte:

Kde r Je to kompresný vzťah R = va/vb.

Práca vykonaná z C do D

Podobne by práca vykonaná z C do D vypočítala spoločnosťou Integrál:

Ktorého výsledok je

Bytosť R = vd/vc = va/vb Kompresný vzťah.

Čistá práca bude súčtom týchto dvoch diel:

Čisté teplo v cykle Otto

V procesoch z A B a od C do D sa teplo nevymieňa, pretože ide o adiabatické procesy.

Pre proces B A C sa práca nevykonáva a teplo priradené spaľovaním zvyšuje vnútornú energiu plynu, a teda jej teplotu TBC na TC.

Podobne v procese d a existuje priradenie tepla, ktoré sa tiež vypočíta ako:

Čisté teplo bude:

Výkonnosť

Výkon alebo účinnosť cyklického motora sa vypočíta zistením pomeru medzi vykonanou čistou prácou a tepla dodávaným do systému pre každý prevádzkový cyklus.

Ak sa vyššie uvedené výsledky nahradia v predchádzajúcom výraze a predpokladá sa, že zmes vzduchu paliva sa správa ako ideálny plyn, potom sa dosiahne teoretická účinnosť cyklu, čo závisí iba od kompresného pomeru:

Cyklovanie cyklov Otto

-Cvičenie 1

Štvornásobný valcový benzínový motor a kompresný pomer 7.5 pracuje v prostredí atmosférického tlaku 100 kPa a 20 stupňov Celzia. Určite čistú prácu vykonanú podľa cyklu. Predpokladajme, že spaľovanie poskytuje 850 joulov pre každý gram vzduchovej zmesi - palivo.

Riešenie

Expresia čistej práce bola predtým vypočítaná:

Potrebujeme určiť objem a tlak v bodoch B a C cyklu, aby sme určili čistú prácu vykonanú.

Objem v bode, kde bol naplnený valcom so zmesou vzduchu - benzín je posun 1500 cm3. V bode B je objem VB = VA / R = 200 cm3.

Objem v bode C je tiež 200 cm3.

Výpočet tlaku v A, B a C

Bodom tlakom je atmosférický tlak. Tlak v bode B možno vypočítať pomocou Poissonovho vzťahu pre adiabatický proces:

Môže vám slúžiť: Aká je elektrina? (S experimentom)

Berúc do úvahy, že zmes je prevažne vzduch, ktorý sa dá považovať za ideálny diatomický plyn, gama adiabatický koeficient má hodnotu 1.4. Potom bude tlak v bode B 1837,9 kPa.

Objem bodu C je rovnaký ako objem bodu B, to je 200 cm3.

Tlak v bode C je väčší ako v bode B v dôsledku zvýšenia teploty spôsobenej spaľovaním. Aby sme to vypočítali, musíme vedieť, koľko tepla spaľovanie prispelo.

Teplo poskytnuté spaľovaním je úmerné množstvu zmesi, ktorá horí.

Použitím ideálnej rovnice stavu plynu:

Kde Rm Je to vzduchová konštanta, ktorej hodnota je 286,9 J / (kg k) a m je hmotnosť zmesi prijatá v procese vstupu. Vyčistenie hmotnosti m štátnej rovnice a výmena hodnôt tlaku, teploty a objemu v bode A sa získa 1,78 gramu zmesi.

Potom teplo prispelo spaľovaním 1,78 gramov x 850 joules/gram = 1513 joules. To spôsobuje zvýšenie teploty, ktoré je možné vypočítať z

TB je možné vypočítať zo štátnej rovnice, ktorá má za následok 718 K, potom pre naše údaje je hodnota vyplývajúca z TC 1902 K.

Tlak v bode C je daný štátnou rovnicou použitou v tomto bode, čo vedie k 4868,6 kPa.

Čistá práca na cyklus sa ukázalo ako 838,5 joules.

-Cvičenie 2

Určiť účinnosť alebo výkonnosť motora pri cvičení 1. Za predpokladu, že motor pracuje na 3000 r.p.m Stanovte silu.

Riešenie

Rozdelenie čistej práce medzi teplo dodávané teplo sa získa účinnosť 55,4%. Tento výsledok sa zhoduje s výsledkom získaným priamym použitím vzorca účinnosti na základe kompresného pomeru.

Sila je práca vykonaná na jednotku času. 3000 R.p.m. rovnocenné s 50 kolami za sekundu. Ale cyklus Otto je dokončený pre každé dve zákruty motora, pretože je to štvorstupný, ako sme vysvetlili vyššie.

To znamená, že za sekundu sa cyklus Otto opakuje 25 -krát, takže práca je 25 x 838,5 joulov v druhej.

To zodpovedá 20,9 kilowatts energie ekvivalentu 28 parných koní.

Odkazy

  1. Termodynamické cykly. Získané z: FIS.Puc.Cl
  2. Martín, T. A Serrano,. Cyklus. Získané z: 2.Montes.Uhorka.je.
  3. Univerzita. Wiki ministerstva aplikovaného fyziky cyklus cyklu Otto Cycle. Získané z: Laplace.my.je.
  4. Wikipedia. Cyklus. Obnovené z: je.Wikipedia.com
  5. Wikipedia. Motor. Obnovené z: je.Wikipedia.com