Цикл Отто | Какова эффективность цикла Отто? | Механический форсированный двигатель

Цикл Отто объясняет процедуру, посредством которой бензиновый двигатель извлекает энергию из рабочей среды (т.е. бензина) и преобразует ее в полезную механическую работу. Проще говоря, этот цикл описывает, как двигатель внутреннего сгорания (т.е. бензиновый двигатель) сначала преобразует химическую энергию топлива в тепловую энергию, а затем тепловую энергию в механическую, которая в дальнейшем используется для движения автомобиля.

В 1876 году Николас Отто изобрел цикл Отто. Цикл Отто чаще всего используется в двигателях SI (т.е. бензиновых двигателях) для их правильной работы. Почти все новейшие бензиновые двигатели работают на основе цикла Отто. Этот цикл совершает рабочий ход за четыре этапа (т.е. два обратимых адиабатических процесса и два изохорических процесса). Цикл Отто имеет степень сжатия в диапазоне от 7:1 до 10:1, что меньше, чем степень сжатия цикла Дизеля.

Приведенная ниже PV-диаграмма идеального цикла Отто показывает, как изменяется объем и давление воздушно-топливной смеси в результате процесса сжатия и расширения. Приведенная ниже диаграмма представляет, как воздушно-топливная смесь воспламеняется, обеспечивает мощность поршня и приводит в движение автомобиль.

Приведенная ниже PV-диаграмма наглядно показывает, что когда поршень совершает работу над воздушно-топливной смесью, объем газа уменьшается (сжимается), а давление увеличивается. Аналогично, после сгорания выделяемое смесью тепло совершает работу над поршнем, в результате чего он расширяется (процесс расширения) и приводит автомобиль в движение.

Работа цикла Отто очень похожа на работу цикла Дизеля. Основное различие заключается в том, что в цикле Дизеля тепло добавляется при постоянном давлении, а в цикле Отто тепло добавляется при равномерном объеме.

Работа цикла Отто

Цикл Отто работает следующим образом:

1. Такт впуска (зеленая линия): В этом такте поршень всасывает воздух и бензиновую смесь в цилиндр сгорания, двигаясь от TDC к BDC. Во время движения поршня к BDC объем камеры увеличивается, благодаря чему внутри камеры создается вакуум. Вследствие создания вакуума поршень выталкивает топливно-воздушную смесь в цилиндр сжатия (или камеру сгорания). Во время этого процесса впускной клапан открывается, а выпускной клапан закрывается. При таком ходе поршня не происходит изменения теплоты, давления и температуры топливовоздушной смеси.
2. Адиабатическое сжатие (1 — 2): После всасывания воздушно-топливной смеси, когда поршень достигает точки 1, он начинает двигаться вверх (от точки 1 до 2). Во время этого движения вверх поршень сжимает топливно-воздушную смесь. В процессе сжатия поршень увеличивает давление газа с P₁ до P₂ (как показано на приведенной выше PV-диаграмме) и температуру от T₁ до T₂ (как показано на приведенной выше диаграмме Ts цикла Отто). Однако внутренняя энергия (энтальпия) смеси остается постоянной. Поэтому этот процесс известен как «адиабатический процесс».
3. Изохорное сжатие (2 — 3): После сжатия, когда поршень достигает точки 2, свеча зажигания подает искру на сжатую воздушно-топливную смесь, в результате чего она воспламеняется, и в сжатую смесь добавляется тепло. Вследствие выделения тепла поршень движется дальше вверх (от 2 до 3), и давление смеси увеличивается от P₂ до P₃. Во время этого процесса энтальпия увеличивается от S₂ до S₃, температура увеличивается от T₂ до T₃но объем сжатой воздушно-топливной смеси не изменяется (т.е. V₂ =V₃). В процессе изохорного сжатия в систему добавляется тепло:

После такта выхлопа отработавшие газы снова поступают в камеру сгорания при постоянном давлении и объеме, повторяя весь процесс.

Для лучшего понимания посмотрите приведенное ниже видео:

Эффективность идеального цикла Отто

Работа на выходе, деленная на общее количество введенного тепла, известна как термический КПД цикла Отто.

Приведенная ниже формула помогает рассчитать КПД цикла Отто:

В приведенном выше уравнении:

Q_H = тепло более высокотемпературного резервуара

Q_L = Теплота резервуара с более низкой температурой

Тепло подводится к двигателю, когда свеча зажигания сжигает сжатую топливовоздушную смесь без изменения ее объема. В результате подвода тепла температура сжатой топливовоздушной смеси увеличивается от T₂ до T₃что рассчитывается как:

Во время такта выхлопа тепло, отводимое из системы, рассчитывается как:

После нахождения значений Q_L (отвод тепла из системы) и Q_H (тепло, подводимое к системе или двигателю), подставьте их в уравнение теплового КПД. Окончательное уравнение теплового КПД имеет вид:

Как показано на приведенной выше диаграмме, процессы 1 — 2 и 3 — 4 являются изоэнтропийными. Таким образом, после выполнения условия изэнтропии для процессов 1 — 2 и 3 — 4, вышеприведенное уравнение будет иметь вид:

Выражение V₁/V_{2 =} γ известно как коэффициент сжатия. КПД идеального цикла Отто в терминах степени сжатия записывается как:

Норма воздуха и термический КПД цикла Отто зависят от степени сжатия. Высокая степень сжатия, необходимая для извлечения значительного объема механической энергии из данной топливной смеси, является очень положительным результатом.

Более высокая степень сжатия уменьшает расход топлива при той же температуре, позволяя увеличить продолжительность цикла расширения. Будет больше электрической энергии и ниже температура выхлопных газов. Снижение температуры отработавших газов уменьшает загрязнение окружающей среды. Для μ = 1,4 эта зависимость показана на рисунке, изображающем окружающий воздух.

Типы цикла Отто

Цикл Отто имеет следующие два основных типа:

1) 4-тактный цикл

В этом цикле Отто цикл мощности завершается после двух оборотов коленчатого вала или четырех ходов поршня. Это наиболее эффективный цикл. В этом цикле все фазы (впуск, сжатие, мощность и выпуск) завершаются за четыре отдельных хода поршня.

2) Двухтактный цикл

В этом типе цикла цикл мощности завершается после одного оборота коленчатого вала или двух ходов поршня. Цикл мощности 2-тактного цикла завершается за меньшее время, чем 4-тактный цикл. Поэтому он обладает большей мощностью, чем 4-тактный цикл.

В 2-тактном цикле цикл мощности завершается всего за два хода поршня таким образом, что процесс впуска и сжатия завершается за 1-й ход, а процессы расширения и выпуска завершаются за 2-й ход поршня.

Преимущества и недостатки цикла Отто

Ниже приведены преимущества и недостатки цикла Отто:

Преимущества цикла Отто

1. Хорошая надежность
2. Этот цикл имеет превосходное соотношение мощности и веса.
3. Двигатель (т.е. бензиновый двигатель), в котором используется цикл Отто, имеет низкую стоимость.
4. Рабочая среда (т.е. бензин), используемая для работы этого цикла, имеет низкую стоимость.
5. Он имеет высокий тепловой КПД.

Недостатки цикла Отто

1. У него низкая степень сжатия.
2. Он менее эффективен, чем цикл Дизеля.
3. Этот цикл не подходит для двигателей (т.е. дизельных двигателей) тяжелых транспортных средств.
4. Он имеет низкий КПД.
5. Для сгорания воздушно-топливной смеси необходима дополнительная свеча зажигания, что увеличивает его стоимость.

Применение цикла Отто

• Он показывает, как тепло преобразует энергию топлива в полезную работу.
• Он объясняет работу бензиновых двигателей.
• Цикл Отто используется в современных автомобилях.

Цикл Отто в сравнении с дизельным циклом

Раздел часто задаваемых вопросов

Как повысить эффективность цикла Отто?

1. Эксплуатируйте двигатель на обедненном топливе. Это означает, что он потребляет дополнительное количество воздуха. Как вы знаете, обедненное топливо может увеличить эффективность двигателя.
2. Увеличьте степень сжатия. Здесь она ограничена самопроизвольным сгоранием неравномерного бензина. Другими словами, если степень сжатия бензинового двигателя превысит до 10,5, произойдет детонационное сгорание, если только октановое число топлива не будет высоким.

Кто изобрел цикл Отто?

В 1876 году Николя Отто изобрел цикл Отто.

Сколько тактов в цикле Отто?

Количество тактов в цикле Отто зависит от его типа. В двухтактном цикле для завершения цикла используется два хода поршня, а в четырехтактном — четыре хода поршня.