OTTO-SYKLI: VAIHEET, SUORITUS, SOVELLUKSET, RATKAISTU HARJOITUKSET - FYYSINEN - 2026

Otto sykli on termodynaamisen prosessin, joka koostuu kahdesta isokoorinen prosessien ja kaksi adiabaattinen prosesseja. Tämä sykli tapahtuu puristuvassa termodynaamisessa nesteessä. Sen on perustanut saksalainen insinööri Nikolaus Otto 1800-luvun lopulla. Hän kehitti polttomoottorin, joka on nykyisten autojen edeltäjä. Myöhemmin hänen poikansa Gustav Otto perusti kuuluisan BMW-yrityksen.

Otto-sykliä sovelletaan polttomoottoreihin, jotka toimivat ilman ja haihtuvan polttoaineen, kuten bensiinin, kaasun tai alkoholin, kanssa ja joiden palaminen käynnistetään sähköisellä kipinällä.

Kuva 1. Autot Nascar-kilpailussa. Lähde: Pixabay.

Otto-jakson vaiheet

Otto-syklin vaiheet ovat:

1. Adiabaattinen puristus (ilman lämmönvaihtoa ympäristön kanssa).
2. Lämpöenergian imeytyminen isokorisessa muodossa (tilavuutta muuttamatta).
3. Adiabaattinen laajeneminen (ilman lämmönvaihtoa ympäristön kanssa).
4. Lämpöenergian karkottaminen isokorisessa muodossa (äänenvoimakkuutta muuttamatta).

Kuvio 2, esitetty alla, osoittaa Otto-syklin eri vaiheet PV (paine-tilavuus) -diagrammissa.

Kuva 2. PV-kaavio Otto-jaksosta. Lähde: itse tehty.

hakemus

Otto-sykli koskee yhtä hyvin nelitahtimoottoreita ja kaksitahtisia polttomoottoreita.

-4-tahti moottori

Tämä moottori koostuu yhdestä tai useammasta sylinterissä olevasta mäntästä, joissa jokaisessa on yksi (tai kaksi) imuventtiiliä ja yksi (tai kaksi) pakoventtiili.

Sitä kutsutaan näin, koska sen toiminnassa on tarkalleen neljä kertaa tai hyvin merkitty vaiheet, jotka ovat:

1. Sisäänpääsy.
2. Puristus.
3. Räjähdys.
4. Pako.

Nämä vaiheet tai ajat tapahtuvat kampiakselin kahden kierroksen aikana, koska mäntä menee alas ja ylös kertaa 1 ja 2, ja taas menee alas ja ylös kertaa 3 ja 4.

Seuraavassa kuvaillaan yksityiskohtaisesti, mitä näiden vaiheiden aikana tapahtuu.

Vaihe 1

Laske mäntä korkeimmasta kohdasta imuventtiilien ollessa auki ja pakoventtiilien kiinni, jotta ilma-polttoaineseos vedetään mäntään laskeutumisensa aikana.

Imeytyminen tapahtuu Otto-syklikaavion vaiheen OA aikana ilmanpaineessa PA. Tässä vaiheessa on lisätty ilma-polttoaineseosta, joka on puristettava neste, jolle Otto-jakson vaiheet AB, BC, CD ja DA levitetään.

Vaihe 2

Vähän ennen mäntä saavuttaa alimman pisteen, molemmat venttiilit sulkeutuvat. Sitten se alkaa nousta siten, että se puristaa ilman ja polttoaineen seoksen. Tämä puristusprosessi tapahtuu niin nopeasti, että se ei anna käytännössä lämpöä ympäristölle. Otto-jaksossa se vastaa adiabaattista prosessia AB.

Vaihe 3

Männän korkeimmassa pisteessä, kun seos on puristettu ja venttiilit suljettu, tapahtuu kipinän aiheuttama seoksen räjähtävä palaminen. Tämä räjähdys on niin nopea, että mäntä on tuskin laskeutunut.

Otto-jaksossa se vastaa isohororin BC-prosessia, jossa lämpöä ruiskutetaan ilman huomattavaa tilavuusmuutosta, mikä lisää seoksen painetta. Lämpö saadaan aikaan ilman hapen palamisen kemiallisella reaktiolla polttoaineen kanssa.

Vaihe 4

Korkeapaineseos laajenee, jolloin mäntä laskeutuu, kun venttiilit pysyvät kiinni. Tämä prosessi tapahtuu niin nopeasti, että lämmönvaihto ulkopuolelta on vähäistä.

Tässä vaiheessa mäntään tehdään positiivinen työ, joka yhdistystanko välittää liikkuvaa voimaa tuottavalle kampiakselille. Otto-jaksossa se vastaa adiabaattista prosessin CD-levyä.

Vaihe 5

Iskun alaosan aikana lämpö johdetaan sylinterin läpi kylmäaineeseen ilman, että tilavuus muuttuu tuntuvasti. Otto-jaksossa se vastaa DA-isokorista prosessia.

Vaihe 6

Männän iskun viimeisessä osassa poltettu seos työntyy poistoventtiilin avulla, joka pysyy auki, kun imuventtiili on kiinni. Palavien kaasujen poistuminen tapahtuu Otto-syklikaavion vaiheen AO aikana.

Koko prosessi toistetaan antamalla uuden ilma-polttoaineseoksen imuventtiilin kautta.

Kuva 3. Nelitahtimoottori. Lähde: pixabay

Otto-jaksossa tehty verkkotyö

Otto-sykli toimii kuin lämpömoottori ja sitä pyöritetään myötäpäivään.

Kaasun tekemä työ W, joka laajentaa sitä sisältävät seinät, lasketaan seuraavalla kaavalla:

Missä Vi on alkuperäinen tilavuus ja Vf lopullinen tilavuus.

Termodynaamisessa jaksossa verkon työ vastaa aluetta, joka on suljettu P - V-kaavion jaksoon.

Otto-syklin tapauksessa se vastaa mekaanista työtä, joka tehdään pisteestä A pisteeseen B, sekä plus mekaanista työtä, joka tehdään kohdasta C toiseen. B: n ja C: n välillä työ on nolla, koska tilavuudessa ei ole muutoksia. Samoin D: n ja A: n välillä työ on nolla.

Työ tehty A: sta B: ään

Oletetaan, että aloitamme pisteestä A, jossa tunnetaan sen tilavuus Va, paine Pa ja lämpötila Ta.

Pisteestä A pisteeseen B suoritetaan adiabaattinen puristus. Kvaasistaattisissa olosuhteissa adiabaattiset prosessit noudattavat Poissonin lakia, jonka mukaan:

Missä γ on adiabaattinen osamäärä, joka määritellään osana vakiopaineessa olevan ominaislämmön ja vakiotilavuudessa olevan ominaislämmön välistä osuutta.

Joten A: sta B: ään tehty työ lasketaan suhteella:

Kun olemme ottaneet integraalin ja käyttäneet Poissonin suhdetta adiabaattisiin prosesseihin, meillä on:

Missä r on puristussuhde r = Va / Vb.

C: stä D: een tehty työ

Samoin C: stä D: ään tehty työ lasketaan integraalilla:

Kenen tulos on

Missä r = Vd / Vc = Va / Vb on puristussuhde.

Nettotyö on kahden työn summa:

Nettolämpö Otto-jaksossa

Prosesseissa A - B ja C - D lämpöä ei vaihdeta, koska ne ovat adiabaattisia prosesseja.

Prosessissa B: stä C: hen ei tehdä työtä ja palamisella saatu lämpö lisää kaasun sisäistä energiaa ja siten sen lämpötilaa Tb: stä Tc: ksi.

Samoin prosessissa D: stä A: een tapahtuu lämmönsiirto, joka lasketaan myös seuraavasti:

Nettolämpö on:

esitys

Syklisen moottorin suorituskyky tai hyötysuhde lasketaan etsimällä tehon verran työn ja järjestelmään syötetyn lämmön välinen jako jokaiselle toimintajaksolle.

Jos edellisessä lausekkeessa korvataan aikaisemmat tulokset ja oletetaan myös, että polttoaine-ilmaseos käyttäytyy ihanteellisena kaasuna, silloin saavutetaan syklin teoreettinen tehokkuus, joka riippuu vain puristussuhteesta:

Otto-sykliratkaisut

-Harjoitus 1

1500 cm3: n nelitahtinen bensiinimoottori, jonka puristussuhde on 7,5, toimii ympäristössä, jonka ilmanpaine on 100 kPa ja 20 astetta. Määritä jaksoa kohti tehty netto. Oletetaan, että palamisen osuus on 850 joulea jokaisesta grammasta ilma-polttoaineseosta.

Ratkaisu

Nettotulos oli laskettu aiemmin:

Meidän on määritettävä tilavuus ja paine jakson pisteissä B ja C suoritetun netto-työn määrittämiseksi.

Tilavuus kohdassa A, jossa sylinteri on täytetty ilma-bensiiniseoksella, on 1500 cc: n siirtymä. Kohdassa B tilavuus on Vb = Va / r = 200 cc.

Tilavuus pisteessä C on myös 200 cc.

Paineen laskeminen kohdissa A, B ja C

Paine pisteessä A on ilmakehän paine. Paine pisteessä B voidaan laskea käyttämällä Poissonin suhdetta adiabaattiseen prosessiin:

Kun otetaan huomioon, että seos on pääasiassa ilmaa, jota voidaan käsitellä diatomisena ideaalikaasuna, gamma-adiabaattinen kerroin on arvo 1,4. Silloin paine pisteessä B on 1837,9 kPa.

Pisteen C tilavuus on sama kuin pisteen B tilavuus, joka on 200 cc.

Paine pisteessä C on korkeampi kuin pisteessä B palamisen aiheuttaman lämpötilan nousun vuoksi. Sen laskemiseksi meidän on tiedettävä, kuinka paljon lämpöä palaminen on vaikuttanut.

Palamisen aiheuttama lämpö on verrannollinen palaneen seoksen määrään.

Käyttämällä ihanteellista kaasuyhtälöä:

Joten palamisen aiheuttama lämpö on 1,78 grammaa x 850 joulea / gramma = 1513 juulia. Tämä aiheuttaa lämpötilan nousun, josta voidaan laskea

Tb voidaan laskea tilayhtälöstä, jonka tuloksena on 718 K, joten tietojemme perusteella tuloksen Tc arvo on 1902 K.

Paine pisteessä C saadaan tila-yhtälöllä, jota käytetään siihen pisteeseen, jolloin saadaan 4868,6 kPa.

Verkkotyö jaksoa kohden on sitten 838,5 joulea.

-Harjoitus 2

Määritä moottorin teho tai suorituskyky harjoituksesta 1. Jos moottori pyörii 3000 rpm: llä, määritä teho.

Ratkaisu

Verkon työn jakaminen toimitetulla lämmöllä antaa 55,4%: n hyötysuhteen. Tämä tulos osuu yhteen tuloksen kanssa, joka saadaan suorittamalla kaava suoraan tehokkuudelle puristussuhteen funktiona.

Voima on aikayksikköä kohden tehty työ. 3000 rpm vastaa 50 kierrosta sekunnissa. Mutta Otto-sykli saadaan päätökseen jokaisella moottorin kierroksella, koska se on nelitahtimoottori, kuten aiemmin selitimme.

Tämä tarkoittaa, että Otto-sykli toistetaan yhdessä sekunnissa 25 kertaa, joten tehty työ on 25 x 838,5 Joulea sekunnissa.

Tämä vastaa 20,9 kilowattia tehoa, joka vastaa 28 hevosvoimaa.

Viitteet

1. Termodynaamiset syklit. Palautettu: fis.puc.cl
2. Martín, T. ja Serrano, A. Otto, sykli. Palautettu: 2.montes.upm.es.
3. Sevillan yliopisto. Soveltavan fysiikan laitoksen Wiki Otto-syklin tapaustutkimus. Palautettu osoitteesta: laplace.us.es.
4. Wikipedia. Otto-sykli. Palautettu osoitteesta: es.wikipedia.com
5. Wikipedia. Otto-moottori. Palautettu osoitteesta: es.wikipedia.com