Opt ciclu

Motor cu piston în patru timpi, care urmează ciclul termodinamic Otto

Ciclul Otto (numit și ciclul Beau de Rochas) este un ciclu termodinamic utilizat în motoarele cu ardere internă alternativă și, în special, în motoarele pe benzină , care sunt alimentate de un sistem de alimentare cu combustibil și emit gaze de eșapament printr-un sistem de evacuare . Acest ciclu rămâne și astăzi principiul de funcționare al aproape tuturor motoarelor pe benzină din lume.

Generalitate

În ciclul Otto vrem să descriem, din punct de vedere termodinamic, ce se întâmplă cu o masă de gaz supusă modificărilor de presiune, temperatură, volum și adăugarea sau scăderea căldurii. Masa de gaz care este supusă unor astfel de modificări se numește sistem. Sistemul, în acest caz, este definit ca fluidul (gazul) prezent în interiorul buteliei. Prin descrierea schimbărilor care apar în cadrul sistemului, efectul sistemului asupra mediului va fi, de asemenea, definit invers. În cazul ciclului Otto, efectul va fi să producă suficientă muncă utilă de către sistem pentru a permite propulsarea vehiculului.

Ciclul Otto constă din:

partea de sus și de jos a ciclului: o pereche de procese aproape paralele și izentropice (reversibil adiabatic, fără frecare).
laturile stânga și dreapta ale ciclului: o pereche de procese izocorice paralele (volum constant).

Procesul izentropic de compresie sau expansiune implică faptul că nu va exista ineficiență (pierderea de energie mecanică) și nu va exista transfer de căldură în sau în afara sistemului în timpul procesului respectiv. Cilindrul și pistonul sunt considerate impermeabile la căldură în acea perioadă. Lucrarea se face pe sistem în timpul procesului de compresie izentropic inferior. Căldura curge în ciclul Otto prin procesul de presurizare din stânga, iar o parte din aceasta revine prin procesul de depresurizare din dreapta. Suma lucrării adăugate la sistem plus căldura adăugată minus căldura eliminată produce lucrul mecanic net generat de sistem.

Istorie

Numele „Ciclo Otto” derivă din numele inginerului german Nikolaus August Otto care a construit primul motor în patru timpi care funcționa efectiv în 1876 ; trebuie adăugat că studiile pe un motor în patru timpi fuseseră deja efectuate și rezultatele brevetate în 1862 de către inventatorul francez Alphonse Beau de Rochas , care adăugase faza de compresie la primul motor al lui Barsanti și Matteucci .

Ciclul ideal

În plan (pV), care leagă p (presiune) și V (volum), ciclul Otto ideal poate fi reprezentat de:

o aspirație la presiunea ambiantă de la TDC (Top Dead Center) la PMI (Bottom Dead Center) (0-1);
compresie adiabatică de la PMI la PMS (1-2);
o combustie care este declanșată de scânteia bujiei (2-3);
o expansiune adiabatică de la PMS la PMI (3-4);
o descărcare inițială liberă cu volum constant (4-1);
o descărcare forțată la presiune constantă care readuce ciclul înapoi în poziția inițială (1-0).

Termodinamica ciclului

Referindu-ne la figura ciclului, să presupunem că lucrați cu un gaz ideal. Atunci munca depusă este singură

L=Q_{ass}-Q_{ced}=c_{v}\times n(T_{3}-T_{2})-c_{v}\times n(T_{4}-T_{1})

{\ displaystyle L = Q_ {ass} -Q_ {ced} = c_ {v} \ times n (T_ {3} -T_ {2}) - c_ {v} \ times n (T_ {4} -T_ {1 })}

{\ displaystyle L = Q_ {ass} -Q_ {ced} = c_ {v} \ times n (T_ {3} -T_ {2}) - c_ {v} \ times n (T_ {4} -T_ {1 })}

unde este $c_{v}$ ${\ displaystyle c_ {v}}$ $CV}$ este căldura molară la volum constant. Deci randamentul ciclului este

\eta ={\frac {L}{Q_{ass}}}=1-{\frac {T_{4}-T_{1}}{T_{3}-T_{2}}}

{\ displaystyle \ eta = {\ frac {L} {Q_ {ass}}} = 1 - {\ frac {T_ {4} -T_ {1}} {T_ {3} -T_ {2}}}}

\ eta = {\ frac {L} {Q _ {{ass}}}} = 1 - {\ frac {T_ {4} -T_ {1}} {T_ {3} -T_ {2}}}

Dar, din cele două transformări adiabatice reversibile, avem:

T_{3}V_{b}^{\gamma -1}=T_{4}V_{a}^{\gamma -1}

{\ displaystyle T_ {3} V_ {b} ^ {\ gamma -1} = T_ {4} V_ {a} ^ {\ gamma -1}}

T_ {3} V _ {{b}} ^ {{\ gamma -1}} = T_ {4} V _ {{a}} ^ {{\ gamma -1}}

T_{2}V_{b}^{\gamma -1}=T_{1}V_{a}^{\gamma -1}

{\ displaystyle T_ {2} V_ {b} ^ {\ gamma -1} = T_ {1} V_ {a} ^ {\ gamma -1}}

T_ {2} V _ {{b}} ^ {{\ gamma -1}} = T_ {1} V _ {{a}} ^ {{\ gamma -1}}

unde este $\gamma =c_{p}/c_{v}$ ${\ displaystyle \ gamma = c_ {p} / c_ {v}}$ ${\ displaystyle \ gamma = c_ {p} / c_ {v}}$ . Dividend de la membru la membru:

{\frac {T_{2}}{T_{3}}}={\frac {T_{1}}{T_{4}}}

{\ displaystyle {\ frac {T_ {2}} {T_ {3}}} = {\ frac {T_ {1}} {T_ {4}}}}

{\ frac {T_ {2}} {T_ {3}}} = {\ frac {T_ {1}} {T_ {4}}}

astfel încât performanța să poată fi exprimată numai în termeni de temperaturi sau volume:

\eta =1-{\frac {T_{4}}{T_{3}}}\left({\frac {1-{\frac {T_{1}}{T_{4}}}}{1-{\frac {T_{2}}{T_{3}}}}}\right)=1-{\frac {T_{4}}{T_{3}}}=1-\left({\frac {V_{b}}{V_{a}}}\right)^{\gamma -1}

{\ displaystyle \ eta = 1 - {\ frac {T_ {4}} {T_ {3}}} \ left ({\ frac {1 - {\ frac {T_ {1}} {T_ {4}}}} {1 - {\ frac {T_ {2}} {T_ {3}}}}} \ right) = 1 - {\ frac {T_ {4}} {T_ {3}}} = 1- \ left ({ \ frac {V_ {b}} {V_ {a}}} \ right) ^ {\ gamma -1}}

\ eta = 1 - {\ frac {T_ {4}} {T_ {3}}} \ left ({\ frac {1 - {\ frac {T_ {1}} {T_ {4}}}} {1- {\ frac {T_ {2}} {T_ {3}}}}} \ right) = 1 - {\ frac {T_ {4}} {T_ {3}}} = 1- \ left ({\ frac { V_ {b}} {V_ {a}}} \ right) ^ {{\ gamma -1}}

În cele din urmă, indicând cu r raportul Va / Vb, numit raport de compresie volumetric, avem

\eta =1-{\frac {1}{r^{\gamma -1}}}

{\ displaystyle \ eta = 1 - {\ frac {1} {r ^ {\ gamma -1}}}}

\ eta = 1 - {\ frac {1} {r ^ {{\ gamma -1}}}}

Într-un motor pe benzină real, r nu poate fi mai mic de aproximativ 1/10 (la motoare, în general, valorile sunt 14: 1, dacă eficiența volumetrică este mai mică de unul, ceea ce reduce compresia efectivă a gazului, deoarece dacă r este mai mică, creșterea temperaturii datorată comprimării amestecului de benzină-aer este de natură să provoace arderea înainte ca scânteia să izbucnească ( pre-aprindere ). cu mișcări turbulente, scad eficiența cu mult sub cea a unui ciclu ideal de gaz Otto, aducându-l la aproximativ 0,2 (20%).

Opt cicluri indicate (sau reale)

Ciclul termic al unui motor 4T
1 = PMS
2 = IMM-uri
A: Aspirație
B: Compresie
C: Extindere
D: Descărcare

Schema prezentată a unui ciclu Otto real al unui motor în doi timpi cu flux tangențial (stânga) și al unui motor în patru timpi (dreapta)

Sistemul este definit ca masa de aer care este extrasă din atmosferă în cilindru, comprimată de piston, încălzită prin aprinderea prin scânteie a combustibilului adăugat, lăsată să se extindă în timp ce apasă pe piston și, în cele din urmă, este evacuată înapoi în atmosfera. Masa de aer este urmărită pe măsură ce volumul, presiunea și temperatura se schimbă în timpul diferitelor faze termodinamice. Deoarece pistonul se poate deplasa de-a lungul cilindrului, volumul de aer se schimbă odată cu poziția sa în cilindru.

Procesele de compresie și expansiune induse pe gaz de mișcarea pistonului sunt idealizate ca reversibile, adică nu se pierde nici o muncă utilă prin turbulență sau frecare și în timpul acestor două procese gazul nu primește și nici nu transferă căldură. Energia este adăugată în aer prin arderea combustibilului. Munca utilă este extrasă din expansiunea gazului din butelie. După ce expansiunea este finalizată în butelie, căldura rămasă este extrasă și, în cele din urmă, gazul este evacuat în mediu. Lucrările produse în timpul procesului de expansiune sunt utilizate parțial pentru a comprima masa de aer a ciclului următor. Diferența dintre întreaga lucrare produsă în timpul procesului de expansiune și cea utilizată pentru procesul de compresie constituie munca netă câștigată și care poate fi utilizată pentru propulsie sau pentru a conduce alte mașini. Cu alte cuvinte, lucrarea utilă obținută este diferența dintre căldura adăugată și căldura eliminată.

Ciclul Otto real este întotdeauna caracterizat de șase faze, care implică totuși cauze de pierdere a muncii și, prin urmare, de performanță:

Pierderea presiunii la admisie și evacuare (în graficul presiune-volum caracterizat printr-o zonă definită ca „lucru de pompare” care este transferată). O masă de aer (fluid de lucru) este aspirată în cilindru, 0 la 1, la presiune atmosferică (constantă) prin supapa de admisie deschisă, în timp ce supapa de evacuare este închisă în timpul acestui proces. Supapa de admisie se închide la pasul 1.
Compresie și expansiune non-adiabatică. Pistonul se deplasează de la capătul manivelei (BDC, centrul mort inferior și volumul maxim) până la capătul chiulasei (TDC, centrul mort superior și volum minim) în timp ce gazul de lucru cu starea inițială 1 este comprimat isentropic la punctul 2 , prin raportul de compresie (V1 / V2). Din punct de vedere mecanic, aceasta este compresia izentropică a amestecului de aer / combustibil din cilindru, cunoscută și sub numele de cursă de compresie. Acest proces izentropic presupune că nu se pierde nici o energie mecanică din cauza fricțiunii și că nu se transferă căldură către sau din gaz, deci procesul este reversibil. Procesul de compresie necesită adăugarea de lucrări mecanice la gazul de lucru. În general, raportul de compresie este de aproximativ 9-10: 1 (V1: V2) pentru un motor tipic. ^[1]
Intemporalitatea și incompletitudinea arderii. Pistonul este momentan în repaus la TDC. În acest moment, cunoscut sub numele de faza de aprindere, amestecul de aer / combustibil rămâne într-un volum mic în partea superioară a cursei de compresie. Căldura este adăugată la fluidul de lucru din arderea combustibilului injectat, cu volumul substanțial menținut constant. Presiunea crește și raportul P3 / P2 se numește „raportul de explozie”.
Descărcare prematură. Presiunea ridicată crescută exercită o forță asupra pistonului și îl împinge spre BDC. Dilatarea fluidului de lucru are loc isentropic și lucrul este efectuat de sistemul de pe piston. Raportul de volum V4 / V3 se numește "raportul de expansiune izentropic" (pentru ciclul Otto este egal cu raportul de compresie V1 / V2. Mecanic aceasta este expansiunea amestecului gazos fierbinte în cilindru cunoscut sub numele de cursă de expansiune (putere ).

Cele șase faze care caracterizează ciclul Otto indicat sunt: