ОТТО ЦИКЛУС: ФАЗЕ, ПЕРФОРМАНСЕ, АПЛИКАЦИЈЕ, РЕШЕНЕ ВЕЖБЕ - ФИЗИЧКИ - 2025

Ото циклус је термодинамичка циклус који се састоји од два исоцхориц процеса и два адијабатским процеса. Овај циклус се дешава на стисљивој термодинамичкој течности. Направио га је немачки инжењер Николаус Отто крајем 19. века, који је усавршио мотор са унутрашњим сагоревањем, претходник оног који је пронађен у савременим аутомобилима. Касније је његов син Густав Отто основао познату компанију БМВ.

Отто циклус се примењује на моторе са унутрашњим сагоревањем који раде са мешавином ваздуха и испарљивих горива попут бензина, гаса или алкохола и чије сагоревање је започело електричном искром.

Слика 1. Аутомобили у конкуренцији за Насцар. Извор: Пикабаи.

Фазе циклуса Отоа

Кораци Отто циклуса су:

1. Адиабатска компресија (без размене топлоте са околином).
2. Апсорпција топлотне енергије у изохоријском облику (без промене запремине).
3. Адиабатска експанзија (без размене топлоте са околином).
4. Избацивање топлотне енергије у изохоријском облику (без промене запремине).

Слика 2, приказана доле, приказује различите фазе Отто циклуса у ПВ дијаграму (притисак-запремина).

Слика 2. ПВ дијаграм циклуса Отоа. Извор: селф маде.

Апликација

Отто циклус се једнако односи на четворотактне и двотактне моторе са унутрашњим сагоревањем.

-4-тактни мотор

Овај мотор се састоји од једног или више клипа у цилиндру, сваки са једним (или два) усисна вентила и једним (или два) издувним вентилима.

Зове се овако јер његово деловање има тачно четири пута или добро обележене фазе које су:

1. Пријем.
2. Компресија.
3. Експлозија.
4. Бекство.

Ове фазе или времена се јављају током два окрета радилице, јер се клип спушта и надолази у 1 и 2, и поново се спушта према горе у пута 3 и 4.

Испод ћемо детаљно описати шта се догађа током ових фаза.

Корак 1

Спуштање клипа са највише тачке са отвореним усисним вентилима и затварањем испушних вентила, тако да се мешавина ваздух и гориво увлачи у клип током његовог спуштања.

Унос настаје током корака ОА дијаграма циклуса Оттоа при атмосферском притиску ПА. У овој фази је уграђена мешавина ваздух-гориво, која је стисљива течност на коју ће се применити ступњеви АБ, БЦ, ЦД и ДА циклуса Отто.

Корак 2

Мало пре него што клип достигне најнижу тачку, оба вентила се затварају. Тада почиње да се диже тако да компримира смешу ваздух-гориво. Овај процес компресије се одвија тако брзо да практично не даје топлоту околини. У Отто циклусу одговара адиабатском процесу АБ.

3. корак

У највишој тачки клипа, са смешом компримованом и затвореним вентилима, долази до експлозивног сагоревања смеше инициране варницом. Ова експлозија је тако брза да се клип једва спустио.

У Отто циклусу одговара изхоријском процесу БЦ где се топлота убризгава без приметне промене запремине, услед чега се повећава притисак смеше. Топлота се обезбеђује хемијском реакцијом сагоревања кисеоника у ваздуху са горивом.

4. корак

Мешавина високог притиска се шири што узрокује спуштање клипа док вентили остају затворени. Овај се процес одвија тако брзо да је измјена топлине с вањске стране занемарљива.

У овом тренутку се врши позитиван рад на клипу, који се клипом преноси на радилицу, стварајући покретачку силу. У Отто циклусу одговара ЦД-у о адиабатском процесу.

Корак 5

Током доњег дела удара, топлота се кроз цилиндар избацује у расхладно средство, а да се запремина не мења значајно. У Отто циклусу одговара ДА-овом изохорском процесу.

Корак 6

У завршном делу клипа изгорена смеша се избацује испушним вентилом који остаје отворен, а усисни вентил је затворен. До изгарања изгорелих гасова долази током корака АО на Отто циклусу дијаграма.

Читав процес се понавља са уласком нове мешавине ваздух и гориво кроз усисни вентил.

Слика 3. Четворотактни мотор. Извор: пикабаи

Нето посао урађен у циклусу Отоа

Отто циклус дјелује попут топлотног мотора и покреће се у смјеру казаљке на сату.

Рад В обављен гасом који проширује зидове који га садрже израчунава се следећом формулом:

Где је Ви почетна запремина, а Вф крајња запремина.

У термодинамичком циклусу рад мреже одговара површини затвореној у циклусу П - В дијаграма.

У случају Отто циклуса одговара механичком раду од А до Б плус механичком раду од Ц до Д. Између Б и Ц обављени рад је нула, јер нема промене у количини. Слично између Д и А, рад је ништав.

Посао од А до Б

Претпоставимо да кренемо од тачке А, одакле су познати запремина Ва, притисак Па и температура Та.

Од тачке А до тачке Б врши се адијабатна компресија. У квази-статичким условима адиабатски процеси се у складу са Поиссоновим законом, који каже да:

Где је ија адијабатски квоцијент дефинисан као квоцијент између специфичне топлоте под константним притиском и специфичне топлоте при константном волумену.

Дакле, рад од А до Б израчунао би се према односу:

Након узимања интеграла и коришћења Поиссоновог омјера за адиабатски процес, имамо:

Где је однос компресије р = Ва / Вб.

Рад од Ц до Д

Слично томе, рад од Ц до Д би се израчунао интегралом:

Чији је резултат

Где је р = Вд / Вц = Ва / Вб, однос компресије.

Нето рад ће бити збир два посла:

Нето топлота у Отто циклусу

У процесима од А до Б и од Ц до Д не измењује се топлота јер су адијабатски процеси.

За процес од Б до Ц, не ради се, а топлота коју сагоревање повећава унутрашњу енергију гаса, а самим тим и његову температуру од Тб до Тц.

Слично томе, у процесу од Д до А долази до преноса топлоте који се такође израчунава као:

Нето топлота ће бити:

перформансе

Учинковитост или ефикасност цикличког мотора израчунава се проналажењем квоцијента између учињеног нето рада и топлине која се доводи у систем за сваки циклус рада.

Ако су претходни резултати замењени у претходном изразу и претпоставка је да се мешавина горива и ваздуха понаша као идеалан гас, тада се постиже теоријска ефикасност циклуса, која зависи само од односа компресије:

Отто решавале вежбе

-Вежба 1

Четворотактни бензински мотор од 1500 ццм са коефицијентом компресије од 7,5 делује у окружењу са атмосферским притиском од 100 кПа и 20 степени Целзијуса. Одредите нето рад по циклусу. Претпоставимо да сагоревање доприноси 850 Јоула за сваки грам смеше ваздуха и горива.

Решење

Нето радни израз је претходно израчунаван:

Морамо да одредимо запремину и притисак у тачкама Б и Ц циклуса да бисмо утврдили рад обављеног у мрежи.

Запремина у тачки А где је цилиндар напуњен мешавином ваздух-бензин је запремина 1500 ццм. У тачки Б запремина је Вб = Ва / р = 200 ццм.

Запремина у тачки Ц је такође 200 ццм.

Прорачун притиска на А, Б и Ц

Притисак у тачки А је атмосферски притисак. Тлак у тачки Б може се израчунати користећи Поиссонов омјер за адијабатски процес:

Узимајући у обзир да је смеша претежно ваздух који се може третирати као дијатомејски идеални гас, гама адијабатски коефицијент узима вредност 1,4. Тада ће притисак у тачки Б бити 1837,9 кПа.

Запремина тачке Ц једнака је волумену тачке Б, то јест 200 ццм.

Притисак у тачки Ц је већи него у тачки Б због повећања температуре изазване сагоревањем. Да бисмо га израчунали, морамо знати колико је топлота допринела сагоревању.

Топлина која доприноси сагоревањем сразмерна је количини смеше која се сагорева.

Користећи стање једнаџбе идеалног гаса:

Дакле, топлота коју доприноси изгарањем износи 1,78 грама к 850 Јоулес / грам = 1513 Јоулес. То узрокује пораст температуре који се може израчунати из

Тб се може израчунати из једнаџбе стања која резултира са 718 К, тако да за наше податке добијена вредност Тц је 1902 К.

Тлак у тачки Ц дат је једнаџбом стања примењене на ту тачку која резултира са 4868,6 кПа.

Нето рад по циклусу је тада 838,5 Јоулес.

-Вежба 2

Одредите ефикасност или перформансе мотора из вежбе 1. Под претпоставком да мотор ради при 3000 обртаја, одредите снагу.

Решење

Дељење мрежног рада на испоручену топлину даје ефикасност од 55,4%. Овај резултат коинцидира с оним добијеним директном применом формуле за ефикасност као функцију односа компресије.

Снага је рад који се обавља у јединици времена. 3000 о / мин једнако је 50 обртаја у секунди. Али Отто циклус се завршава на свака два обртаја мотора, јер је четворотактни мотор, као што смо објаснили раније.

То значи да се у једној секунди Отто циклус понавља 25 пута, тако да је обављени рад 25 к 838,5 Јоулеса у једној секунди.

То одговара 20,9 киловата снаге еквивалентне 28 коњских снага.

Референце

1. Термодинамички циклуси. Опоравак од: фис.пуц.цл
2. Мартин, Т. и Серрано, А. Отто циклус. Опоравак од: 2.монтес.упм.ес.
3. Универзитет у Севиљи. Вики одељења за примењену физику Отто циклус студија случаја. Опоравак од: лаплаце.ус.ес.
4. Википедиа. Отто циклус. Опоравак од: ес.википедиа.цом
5. Википедиа. Отто мотор. Опоравак од: ес.википедиа.цом