- Các giai đoạn của chu kỳ Otto
- Ứng dụng
- -Động cơ 4 thì
- Bước 1
- Bước 2
- Bước 3
- Bước 4
- Bước 5
- Bước 6
- Công việc ròng được thực hiện trong chu trình Otto
- Công việc được thực hiện từ A đến B
- Công việc hoàn thành từ C đến D
- Nhiệt thực trong chu trình Otto
- hiệu suất
- Chu trình Otto giải bài tập
- -Bài tập 1
- Giải pháp
- Tính áp suất tại A, B và C
- -Bài tập 2
- Giải pháp
- Người giới thiệu
Các chu kỳ Otto là một chu trình nhiệt động lực học mà được tạo thành từ hai quá trình isochoric và hai quá trình đoạn nhiệt. Chu trình này xảy ra trên chất lỏng nhiệt động có thể nén được. Nó được tạo ra bởi kỹ sư người Đức Nikolaus Otto vào cuối thế kỷ 19, người đã hoàn thiện động cơ đốt trong, tiền thân của loại động cơ được tìm thấy trong ô tô hiện đại. Sau này con trai ông là Gustav Otto thành lập công ty BMW nổi tiếng.
Chu trình Otto được áp dụng cho động cơ đốt trong làm việc với hỗn hợp không khí và nhiên liệu dễ bay hơi như xăng, gas hoặc cồn và quá trình đốt cháy được bắt đầu bằng tia lửa điện.
Hình 1. Ô tô trong một cuộc thi Nascar. Nguồn: Pixabay.
Các giai đoạn của chu kỳ Otto
Các bước của chu trình Otto là:
- Nén đoạn nhiệt (không trao đổi nhiệt với môi trường).
- Hấp thụ nhiệt năng ở dạng đẳng tích (không làm thay đổi thể tích).
- Sự nở đoạn nhiệt (không có sự trao đổi nhiệt với môi trường).
- Tỏa nhiệt năng ở dạng đẳng tích (không thay đổi thể tích).
Hình 2, thể hiện bên dưới, cho thấy các giai đoạn khác nhau của chu trình Otto trong biểu đồ PV (áp suất-thể tích).
Hình 2. Biểu đồ PV của chu trình Otto. Nguồn: tự làm.
Ứng dụng
Chu trình Otto áp dụng như nhau cho động cơ đốt trong bốn kỳ và hai kỳ.
-Động cơ 4 thì
Động cơ này bao gồm một hoặc nhiều piston trong một xi lanh, mỗi piston có một (hoặc hai) van nạp và một (hoặc hai) van xả.
Nó được gọi như vậy vì hoạt động của nó có chính xác bốn lần hoặc các giai đoạn được đánh dấu rõ ràng đó là:
- Việc nhập học.
- Nén.
- Vụ nổ.
- Lối thoát.
Các giai đoạn hoặc thời gian này xảy ra trong hai lần quay của trục khuỷu, bởi vì piston đi xuống và đi lên trong lần 1 và 2, và lại đi xuống và đi lên trong lần 3 và 4.
Dưới đây chúng tôi mô tả chi tiết những gì xảy ra trong các giai đoạn này.
Bước 1
Hạ piston từ điểm cao nhất với van nạp mở và van xả đóng lại để hỗn hợp không khí-nhiên liệu được hút vào piston trong quá trình đi xuống.
Quá trình nạp xảy ra trong bước OA của sơ đồ chu trình Otto ở áp suất khí quyển PA. Trong giai đoạn này, hỗn hợp không khí-nhiên liệu đã được kết hợp, là chất lỏng có thể nén được trên đó các giai đoạn AB, BC, CD và DA của chu trình Otto sẽ được áp dụng.
Bước 2
Ngay trước khi piston đạt điểm thấp nhất, cả hai van đóng lại. Sau đó, nó bắt đầu tăng lên theo cách mà nó nén hỗn hợp không khí-nhiên liệu. Quá trình nén này xảy ra nhanh đến mức nó thực tế không tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh. Trong chu trình Otto nó tương ứng với quá trình đoạn nhiệt AB.
Bước 3
Tại điểm cao nhất của pít-tông, khi hỗn hợp được nén và các van đóng lại, quá trình đốt cháy hỗn hợp bắt đầu bằng tia lửa xảy ra. Vụ nổ này quá nhanh nên pít-tông chưa kịp hạ xuống.
Trong chu trình Otto, nó tương ứng với quá trình đẳng tích BC nơi nhiệt được đưa vào mà không thay đổi thể tích đáng kể, do đó làm tăng áp suất của hỗn hợp. Nhiệt được cung cấp bởi phản ứng hóa học đốt cháy oxy trong không khí với nhiên liệu.
Bước 4
Hỗn hợp áp suất cao nở ra làm cho piston đi xuống trong khi các van vẫn đóng. Quá trình này xảy ra quá nhanh nên sự trao đổi nhiệt với bên ngoài không đáng kể.
Tại thời điểm này, công tích cực được thực hiện trên piston, được truyền bởi thanh truyền đến trục khuỷu sinh ra động lực. Trong chu trình Otto, nó tương ứng với CD quá trình đoạn nhiệt.
Bước 5
Trong phần dưới của hành trình, nhiệt được thoát ra ngoài qua xi lanh vào chất làm lạnh mà thể tích không thay đổi đáng kể. Trong chu trình Otto, nó tương ứng với quá trình đẳng tích DA.
Bước 6
Trong phần cuối cùng của hành trình piston, hỗn hợp đã đốt cháy được đẩy ra ngoài bằng van xả vẫn mở, trong khi van nạp đóng. Sự thoát ra của các khí cháy xảy ra trong bước AO trong sơ đồ chu trình Otto.
Toàn bộ quá trình này được lặp lại với sự xâm nhập qua van nạp của hỗn hợp không khí-nhiên liệu mới.
Hình 3. Động cơ bốn kỳ. Nguồn: pixabay
Công việc ròng được thực hiện trong chu trình Otto
Chu trình Otto hoạt động giống như một động cơ nhiệt và được chạy theo chiều kim đồng hồ.
Công của một chất khí làm nở các bức tường chứa nó được tính theo công thức sau:
Trong đó Vi là âm lượng ban đầu và Vf là âm lượng cuối cùng.
Trong một chu trình nhiệt động lực học, công thực tương ứng với diện tích nằm trong chu trình của biểu đồ P - V.
Trong trường hợp của chu trình Otto, nó tương ứng với công cơ học thực hiện từ A đến B cộng với công cơ học thực hiện từ C đến D. Giữa B và C công thực hiện bằng 0 vì không có sự thay đổi về khối lượng. Tương tự giữa D và A, tác phẩm là rỗng.
Công việc được thực hiện từ A đến B
Giả sử chúng ta bắt đầu từ điểm A, nơi đã biết thể tích Va, áp suất Pa và nhiệt độ Ta của nó.
Từ điểm A đến điểm B một quá trình nén đoạn nhiệt được thực hiện. Trong các điều kiện gần như tĩnh, các quá trình đoạn nhiệt tuân theo định luật Poisson, quy định rằng:
Trong đó γ là thương số đoạn nhiệt được định nghĩa là thương số giữa nhiệt dung riêng ở áp suất không đổi và nhiệt dung riêng ở thể tích không đổi.
Vì vậy, công việc thực hiện từ A đến B sẽ được tính theo quan hệ:
Sau khi lấy tích phân và sử dụng tỷ lệ Poisson cho quá trình đoạn nhiệt, chúng ta có:
Trong đó r là tỷ số nén r = Va / Vb.
Công việc hoàn thành từ C đến D
Tương tự, công việc được thực hiện từ C đến D sẽ được tính bằng tích phân:
Kết quả của ai
Trong đó r = Vd / Vc = Va / Vb là tỷ số nén.
Công việc ròng sẽ là tổng của hai công việc:
Nhiệt thực trong chu trình Otto
Trong các quá trình từ A đến B và từ C đến D không có sự trao đổi nhiệt vì chúng là quá trình đoạn nhiệt.
Đối với quá trình từ B đến C, không có công việc nào được thực hiện và nhiệt lượng do đốt cháy tỏa ra làm tăng nội năng của khí và do đó nhiệt độ của nó từ Tb đến Tc.
Tương tự, trong quá trình từ D đến A có sự truyền nhiệt cũng được tính là:
Nhiệt thực sẽ là:
hiệu suất
Hiệu suất hoặc hiệu suất của động cơ chu kỳ được tính bằng cách tìm thương số giữa công thực hiện và nhiệt lượng cung cấp cho hệ thống trong mỗi chu kỳ hoạt động.
Nếu trong biểu thức trước, các kết quả trước đó được thay thế và cũng giả thiết rằng hỗn hợp không khí nhiên liệu hoạt động như một khí lý tưởng, thì hiệu suất lý thuyết của chu trình đạt được, chỉ phụ thuộc vào tỷ số nén:
Chu trình Otto giải bài tập
-Bài tập 1
Động cơ xăng 4 thì dung tích 1500 cc với tỷ số nén 7,5 làm việc trong môi trường có áp suất khí quyển là 100 kPa và 20 độ C. Xác định công việc ròng thực hiện mỗi chu kỳ. Giả sử rằng quá trình đốt cháy đóng góp 850 Joules cho mỗi gam hỗn hợp nhiên liệu không khí.
Giải pháp
Biểu thức công việc ròng đã được tính toán trước đó:
Chúng ta cần xác định thể tích và áp suất tại các điểm B và C của chu trình để xác định công thực hiện.
Thể tích tại điểm A nơi xylanh được đổ đầy hỗn hợp xăng-không khí là dung tích 1500 cc. Tại điểm B thể tích là Vb = Va / r = 200 cc.
Thể tích ở điểm C cũng là 200 cc.
Tính áp suất tại A, B và C
Áp suất tại điểm A là áp suất khí quyển. Áp suất tại điểm B có thể được tính toán bằng cách sử dụng tỷ lệ Poisson cho quá trình đoạn nhiệt:
Do hỗn hợp chủ yếu là không khí có thể được coi là khí lý tưởng diatomic, hệ số đoạn nhiệt gamma nhận giá trị 1,4. Khi đó áp suất tại điểm B sẽ là 1837,9 kPa.
Thể tích của điểm C giống như thể tích của điểm B là 200 cc.
Áp suất tại điểm C cao hơn tại điểm B do sự tăng nhiệt độ của quá trình cháy. Để tính toán nó, chúng ta cần biết nhiệt lượng mà quá trình đốt cháy đã đóng góp.
Nhiệt lượng do đốt cháy góp phần tỷ lệ với lượng hỗn hợp được đốt cháy.
Sử dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng:
Vậy nhiệt lượng do đốt cháy đóng góp là 1,78 gam x 850 Joules / gam = 1513 Joules. Điều này gây ra sự gia tăng nhiệt độ có thể được tính từ
Tb có thể được tính từ phương trình trạng thái tạo ra 718 K, vì vậy đối với dữ liệu của chúng tôi, giá trị kết quả của Tc là 1902 K.
Áp suất tại điểm C được cho bởi phương trình trạng thái áp dụng cho điểm đó tạo ra 4868,6 kPa.
Công việc ròng mỗi chu kỳ là 838,5 Joules.
-Bài tập 2
Xác định hiệu suất hoặc hiệu suất của động cơ từ Bài tập 1. Giả sử động cơ chạy với tốc độ 3000 vòng / phút, hãy xác định công suất.
Giải pháp
Chia công thuần cho nhiệt lượng cung cấp thì hiệu suất là 55,4%. Kết quả này trùng với kết quả thu được khi áp dụng trực tiếp công thức tính hiệu suất dưới dạng hàm của tỷ số nén.
Công suất là công việc được thực hiện trên một đơn vị thời gian. 3000 vòng / phút tương đương với 50 vòng / giây. Nhưng chu trình Otto được hoàn thành cho mỗi hai vòng quay của động cơ bởi vì nó là động cơ bốn kỳ, như chúng tôi đã giải thích trước đó.
Điều này có nghĩa là trong một giây chu kỳ Otto được lặp lại 25 lần nên công thực hiện là 25 x 838,5 Joules trong một giây.
Điều này tương ứng với 20,9 kilowatt công suất tương đương 28 mã lực.
Người giới thiệu
- Các chu trình nhiệt động lực học. Khôi phục từ: fis.puc.cl
- Chu trình Martín, T. và Serrano, A. Otto. Được phục hồi từ: 2.montes.upm.es.
- Đại học Sevilla. Wiki của Khoa vật lý ứng dụng nghiên cứu chu trình Otto. Được khôi phục từ: laplace.us.es.
- Wikipedia. Chu trình Otto. Phục hồi từ: es.wikipedia.com
- Wikipedia. Động cơ Otto. Phục hồi từ: es.wikipedia.com