Otto Cycle | Zijn belangrijke relaties en formules

De Otto-cyclus, fundamenteel voor benzinemotoren, bestaat uit vier slagen: inlaat, compressie, kracht en uitlaat. Het bereikt een thermisch rendement tot 25-30%. De compressieverhouding, doorgaans tussen 8:1 en 12:1, heeft een directe invloed op de efficiëntie en het vermogen.

Otto Cycle-definitie

“Een Otto-cyclus is een ideale thermodynamische cyclus die de werking van een typische zuigermotor met vonkontsteking verklaart en deze cyclus legt specifiek uit wat er gebeurt als de gasmassa onderhevig is aan veranderingen als gevolg van druk, temperatuur, volume, warmte-invoer en afgifte van gas. warmte."

De Otto-cyclusmotor | Kleptiming diagram

  1. Inlaatklep opent op 5-100 voor het Top Dead Center. Dit is om ervoor te zorgen dat de inlaat volledig moet openen wanneer de zuiger het BDP bereikt en dat er zo vroeg mogelijk na het BDP nieuwe lading in de cilinder komt.
  2. Zuigklep sluit bij 20-300 na Bottom dead center BDC om te profiteren van het momentum van bewegende gassen.
  3. De vonk vindt plaats 30 - 400 voor TDC. Dit is om een ​​tijdvertraging mogelijk te maken tussen vonk en voltooiing van de verbranding.
  4. De druk aan het einde van de arbeidsslag is hoger dan de atmosferische druk, waardoor het werk om de uitlaatgassen te verdrijven toeneemt. Dus de uitlaatklep gaat open om 20 - 300 vóór BDC, zodat bij BDC de druk afneemt tot atmosferische druk en nuttig werk kan worden bespaard.
  5. De uitlaatklep sluit om 15 - 20 uur0 na BDP zodat traagheid van uitlaatgas de neiging heeft om de cilinder weg te spoelen, wat de volumetrische efficiëntie zal verhogen.

Otto-cyclusefficiëntie ​ thermische efficiëntie van Otto Cycle Formule

De efficiëntie van Otto-cyclus wordt gespecificeerd door

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

Waar r = compressieverhouding.

Otto Cycle-diagram

Otto-cyclus PV-diagram | Otto cyclus TS-diagram

Otto cyclus PV-diagram
PV-diagram
Otto cyclus TS-diagram
TS-diagram

Otto, diesel en dubbele cyclus | Vergelijking

Geval 1: voor een vergelijkbare compressieverhouding en vergelijkbare warmte-i / p zal dit verband zijn

[Qin]acht = [Vrin]Diesel

[QR]acht<[QR]Diesel

\\\\\\eta=1-\\frac{Q_R}{Q_{in}}\\\\\\\\ \\eta_D<\\eta_O

In dit geval van dezelfde compressieverhouding en gelijke warmte-inbreng zal dat zo zijn

\\eta_D<\\eta_{dual}<\\eta_O

Geval 2: In dit geval van dezelfde compressieverhouding en dezelfde warmte-afstoting, zal dit verband zijn

[Qin]acht> [Qin]Diesel

[QR]acht= [VrR]Diesel

\\\\\\eta=1-\\frac{Q_R}{Q_{in}}\\\\\\\\ \\eta_D<\\eta_O

In dit geval van dezelfde compressieverhouding en dezelfde warmte-afstoting.

\\eta_D<\\eta_{dual}<\\eta_O

Geval 3: In dit geval van dezelfde maximale temperatuur en dezelfde warmteafgifte.

[QR]acht= [VrR]Diesel

[Qin]Diesel> [Qin]acht

\\\\\\eta=1-\\frac{Q_R}{Q_{in}}\\\\\\\\ \\eta_D>\\eta_O

Voor dezelfde maximale temperatuur en dezelfde warmteafvoer

\\eta_D>\\eta_{dual}>\\eta_O

Compressieverhouding van Otto-cyclus

Compressieverhouding van Otto-cyclus wordt gedefinieerd als de verhouding van volume vóór expansie tot volume na expansie

r=\\frac{V_s+V_c}{V_s}=\\frac{V_1}{V_2}

Waar Vs = Geveegd volume van cilinder

Vc = Vrije ruimte van de cilinder

In deze cyclus is de compressieverhouding over het algemeen 6 - 10. Deze is beperkt tot 10 vanwege het inkloppen van de motor.

Gemiddelde effectieve drukformule voor Otto-cyclus

Gewoonlijk verandert de druk in de cilinder op een verbrandingsmotor continu; gemiddelde effectieve druk is een denkbeeldige druk waarvan wordt aangenomen dat deze constant is gedurende het proces.

P_m=\\frac{P_1 r(r_p-1)(r^{\\gamma-1}-1)}{(\\gamma-1)(r-1)}

Waar rp = Drukverhouding = P3/P2 = P4/P1

Otto-cyclusanalyse | Otto-cyclusberekeningen | Afleiding van de efficiëntie van de Otto-cyclus

 Beschouw een standaard Otto-cyclus met lucht met initiële druk, volume en temperatuur als P1, V1, T1 respectievelijk.

Otto cyclus PV-diagram
Otto cyclus TS-diagram
TS-diagram

Proces 1-2: omkeerbare adiabatische compressie.

\\frac{T_2}{T_1}=[\\frac{V_1}{V_2}]^{\\gamma-1}

Waar,

r is de compressieverhouding.

Proces 2-3: warmtetoevoeging bij constant volume wordt berekend als,

Qin = m Cv [T3-T2].

Proces 3-4: omkeerbare adiabatische uitzetting wordt berekend als

\\frac{T_3}{T_4}=[\\frac{V_4}{V_3}]^{\\gamma-1}=r^{\\gamma-1}

Proces 4-1: Warmte-afstoting bij constant volume zal zijn

QR = m Cv [T4-T1]

Werk gedaan = Qin - QR.

De efficiëntie van de Otto-cyclus wordt weergegeven als.

\\eta=1-\\frac{Q_R}{Q_{in}}

\\\\\\eta=1-\\frac{[T_4-T_1]}{[T_3-T_2]}\\\\\\\\ \\frac{T_2}{T_1}=\\frac{T_3}{T_4}\\\\\\\\ \\frac{T_4}{T_1}=\\frac{T_3}{T_2}\\\\\\\\ \\eta=1-\\frac{1}{r^{\\gamma-1}}

Waar r = compressieverhouding.

Werking van tweetaktmotor

Tweetaktmotoren werken zowel op de Otto-cyclus als op de dieselcyclus.

Atkinson-cyclus versus Otto-cyclus

Atkinson-cyclusOtto fietsen
Atkinson-cyclus gebruikt een iets ander kleptimingsdiagram. De inlaatklep blijft open tot het begin van de compressieslagInlaatklep opent op 5-100 voor het Top Dead Center. Dit is om ervoor te zorgen dat de inlaat volledig moet openen wanneer de zuiger het BDP bereikt en dat er zo vroeg mogelijk na het BDP nieuwe lading in de cilinder komt.
Biedt een hoger brandstofverbruik in vergelijking met de Otto-cyclus.Biedt een lager brandstofverbruik in vergelijking met de Atkinson-cyclus.
Biedt een lager piekvermogen in vergelijking met de Otto-cyclus.Biedt een hoger piekvermogen in vergelijking met de Atkinson-cyclus.
Meestal gebruikt in hybride voertuigen waar: elektromotor compenseert het stroomtekort.Meestal gebruikt in 4-takt en 2-takt SI-motoren waar een hoger vermogen vereist is
dubbel
Dubbele cyclus PV-diagram

Brayton-cyclus versus Otto-cyclus

Brayton-cyclusOtto fietsen
Constante druk Warmtetoevoeging en warmteafvoer vindt plaats in de Brayton-cyclus.Constant volume Warmtetoevoeging en warmteafvoer vindt plaats in de Otto-cyclus.
Het kan grote hoeveelheden lagedrukgas verwerken.Kan geen grote hoeveelheden lagedrukgas verwerken vanwege beperking in de ruimte van de heen en weer bewegende motor.
Hoge temperaturen worden ervaren tijdens het stabiele stroomproces.Hoge temperaturen worden alleen door de motor ervaren tijdens een arbeidsslag.
Geschikt voor gasturbineGeschikt voor IC- en SI-motor.

Voordelen en nadelen van de Otto-cyclusmotor

voordelen:

  • Deze cyclus heeft meer thermische efficiëntie in vergelijking met diesel en dubbele cyclus voor identieke compressieverhouding en gelijke warmte-inbrengsnelheid en dezelfde compressieverhouding en dezelfde warmteafgifte.
  • Deze cyclusmotor had minder onderhoud nodig en is eenvoudig en licht van gewicht.
  • Voor volledige verbranding zijn de emissies van verontreinigende stoffen laag voor Otto-motoren.

nadelen:

  • Heeft een lagere compressieverhouding en is dus slecht in het verplaatsen van zware lasten met lage snelheid.
  • Zal niet bestand zijn tegen hogere spanningen en spanningen in vergelijking met een dieselmotor

Voorbeeld van Otto-cyclus | Otto cyclus problemen

Vraag.1] Een motor met vonkontsteking die is ontworpen om een ​​compressieverhouding van 10 te hebben. Deze werkt bij lage temperatuur en druk op waarde 2000C en 200 kilopascal respectievelijk. Als Work O / P 1000 kilo-Joule / kg is, bereken dan de maximale efficiëntie en de gemiddelde effectieve druk.

De efficiëntie van deze cyclus wordt gegeven door

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

Waar r = compressieverhouding = 10

\\eta =1-\\frac{1}{10^{1.4-1}}=0.602=60.2\\%

Voor compressieproces

\\frac{T_2}{T_1}=r^{\\gamma-1}

\\frac{T_2}{473}=10^{1.4-1}

T_2=1188 \\;K

Voor uitbreidingsproces kunnen we dat aannemen

\\frac{T_3}{T_4}=r^{\\gamma-1}

\\frac{T_3}{T_4}=10^{1.4-1}

T_3=2.512T_4

Het uitgevoerde netwerk kan worden berekend met de formule

W=C_v [T_3-T_2 ]-C_v [T_4-T_1]

\\\\1000=0.717*[473-1188+T_3-T_4]\\\\\\\\ 1000=0.717*[473-1188+2.512 T_4-T_4]\\\\\\\\ T_4=1395 K

T_3=2.512*1395=3505 K

Volgens de ideale gastheorie weten we het

P1v1 = RT1

v1= (RT1) / (Blz1) = (0.287 * 473) /200=0.6788 m3/kg

mep=\\frac{W}{v_1-v_2}=\\frac{1000}{0.6788-\\frac{0.6788}{10}}=1636.87\\;kPa

Vraag 2] wat zal het effect zijn op de efficiëntie van een Otto-cyclus met een compressieverhouding 6, als Cv stijgt met 20%. Neem voor de berekening aan dat Cv is 0.718 kJ / kg.K.

\\\\\\frac{\\mathrm{d} C_v}{C_v}=0.02\\\\\\\\ \\eta=1-\\frac{1}{r^{\\gamma -1 }}=1-\\frac{1}{6^{1.4 -1}}=0.511\\\\\\\\ \\gamma -1=\\frac{R}{C_v}\\\\\ \\\ \\eta=1-[\\frac{1}{r}]^\\frac{R}{C_v}

Aan beide kanten een logboek nemen

ln(1-\\eta)=\\frac{R}{C_v} ln\\frac{1}{r}

Beide kanten onderscheiden

\\\\\\frac{d\\eta}{1-\\eta}=\\frac{-R}{C_v^2}*dC_v*ln[1/r]\\\\\\\\ \\frac{d\\eta}{1-\\eta}=\\frac{-R}{C_v}*\\frac{dC_v}{C_v}*ln[1/r]\\\\\\\\ \\frac{d\\eta}{\\eta}=\\frac{1-\\eta}{\\eta}*\\frac{-R}{C_v}*\\frac{dC_v}{C_v}*ln[1/r]\\\\\\\\ \\frac{d\\eta}{\\eta}=\\frac{1-0.511}{0.511}*\\frac{-0.287}{0.718}*0.02*ln[1/6]\\\\\\\\ \\frac{d\\eta}{\\eta}=-0.0136\\\\\\\\ \\frac{d\\eta}{\\eta}*100=-0.0136*100=-1.36\\%

Dat wil zeggen als Cv neemt toe met 2%, dan neemt η af met 1.36%.

Veelgestelde Vragen / FAQ

Wat is het verschil tussen Otto- en Diesel-cyclus?

In de Otto-cyclus vindt de warmtetoevoeging plaats met een constant volume, terwijl in de dieselcyclus de warmtetoevoeging bij constante druk plaatsvindt en de Otto-cyclus een lagere compressieverhouding heeft van minder dan 12, terwijl de dieselcyclus een hogere compressieverhouding heeft tot 22. Otto-cyclus gebruikt een bougie voor ontsteking terwijl dieselcyclus geen hulp nodig heeft voor ontsteking. Otto-cyclus heeft een lager rendement in vergelijking met dieselcyclus.

Welke brandstof wordt gebruikt in de Otto-cyclus ? ​ Wat is 4-taktbrandstof?

Over het algemeen wordt benzine of benzine gemengd met 3-5% ethanol gebruikt in de Otto-motor. In de standaard Otto-cyclus in de lucht wordt lucht verondersteld als brandstof te dienen.

Welke is een efficiëntere Otto- of Diesel-cyclus?

Het normale bereik van de compressieverhouding voor de dieselcyclus is 16-20, terwijl de compressieverhouding in de Otto-cyclus 6-10 is en vanwege de hogere compressieverhouding die wordt gebruikt in de dieselcyclus, is de efficiëntie van de dieselcyclus groter dan de Otto-cyclus.

Hoe werkt Otto Cycle?

  1. Inlaatklep opent op 5-100 voor het Top Dead Center. Dit is om ervoor te zorgen dat de inlaat volledig moet openen wanneer de zuiger het BDP bereikt en dat er zo vroeg mogelijk na het BDP nieuwe lading in de cilinder komt.
  2. Zuigklep sluit bij 20-300 na Bottom dead center BDC om te profiteren van het momentum van bewegende gassen.
  3. De vonk vindt plaats 30 - 400 voor TDC. Dit is om een ​​tijdvertraging mogelijk te maken tussen vonk en voltooiing van de verbranding.
  4. De druk aan het einde van de arbeidsslag is hoger dan de atmosferische druk, waardoor het werk om de uitlaatgassen te verdrijven toeneemt. Dus de uitlaatklep gaat open om 20 - 300 vóór BDC, zodat bij BDC de druk afneemt tot atmosferische druk en nuttig werk kan worden bespaard.
  5. De uitlaatklep sluit om 15 - 20 uur0 na BDP zodat traagheid van uitlaatgassen de neiging heeft om de cilinder op te vangen, wat de volumetrische efficiëntie zal verhogen.

Proces 1-2: omkeerbare adiabatische compressie

\\frac{T_2}{T_1}=[\\frac{V_1}{V_2}]^{\\gamma-1}=r^{\\gamma-1}

Waar r = compressieverhouding

Proces 2-3: Warmtetoevoegingen bij constant volume

Qin = m Cv [T3-T2]

Proces 3-4: omkeerbare adiabatische uitzetting

\\frac{T_3}{T_4}=[\\frac{V_4}{V_3}]^{\\gamma-1}=r^{\\gamma-1}

Proces 4-1: Warmte-afstoting bij constant volume zal zijn

QR = m Cv [T4-T1]

Werk gedaan = Qin - QR.

De efficiëntie van de Otto-cyclus wordt weergegeven als.

\\eta=1-\\frac{Q_R}{Q_{in}}

\\\\\\eta=1-\\frac{[T_4-T_1]}{[T_3-T_2]}\\\\\\\\ \\frac{T_2}{T_1}=\\frac{T_3}{T_4}\\\\\\\\ \\frac{T_4}{T_1}=\\frac{T_3}{T_2}\\\\\\\\ \\eta=1-\\frac{1}{r^{\\gamma-1}}

Waar r = compressieverhouding.

Verschil tussen Otto-cyclus Dieselcyclus en Dual-cyclus

Otto-cyclus versus dubbele cyclus

dvs 2

Otto-cyclus versus Carnot-cyclus

Carnot CycleOtto cycleHet bestaat uit twee omkeerbare isotherm proces en twee omkeerbare adiabatische processen.Ideale luchtstandaard Otto-cyclus bestaat uit twee isochore processen en twee omkeerbare adiabatische processen.
 Het is een hypothetische cyclus en is praktisch niet te construeren.Het is een echte cyclus en vormt de basis van de werking van de moderne motor met vonkontsteking.
Het dient als maatstaf om de prestaties van andere motorcycli te meten.Het dient niet als maatstaf om de prestaties van andere motorcycli te meten.
Het heeft 100% efficiëntie.Het heeft een algemeen thermisch rendement in het bereik van 50 - 70%.
Het kan worden omgekeerd om Carnot-koeling te verkrijgen / warmtepomp met maximale prestatiecoëfficiënt.Het is een niet-omkeerbare cyclus.

Otto-cyclus versus Atkinson-cyclus

Atkinson-cyclusOtto fietsen
Atkinson-cyclus gebruikt een iets ander kleptimingsdiagram. De inlaatklep blijft open tot het begin van de compressieslagInlaatklep opent op 5-100 voor het Top Dead Center. Dit is om ervoor te zorgen dat de inlaat volledig moet openen wanneer de zuiger het BDP bereikt en dat er zo vroeg mogelijk na het BDP nieuwe lading in de cilinder komt.
Biedt een hoger brandstofverbruik in vergelijking met de Otto-cyclus.Biedt een lager brandstofverbruik in vergelijking met de Atkinson-cyclus.
Biedt een lager piekvermogen in vergelijking met Otto-cycle.Biedt een hoger piekvermogen in vergelijking met de Atkinson-cyclus.
Meestal gebruikt in hybride voertuigen waar de elektromotor het vermogensgebrek compenseert.Meestal gebruikt in 4-takt en 2-takt SI-motoren waar een hoger vermogen vereist is

Otto-cyclusformule

De efficiëntie van de Otto-cyclus wordt gegeven door de vergelijking

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

Waar r = compressieverhouding = 10

Otto-cyclus met polytropisch procesvoorbeeld

Een SI-motor heeft een compressieverhouding 8 terwijl hij werkt met een lage temperatuur van 3000C en een lage druk van 250 kPa. Als Work o / p 1000 kilo-Joule / kg is, bereken dan de hoogste efficiëntie. De compressie en expansie vindt polytropisch plaats met polytropische index (n = 1.33).

Oplossing: De efficiëntie van Otto-cyclus wordt gegeven door de vergelijking

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

Hier γ = n

\\eta =1-\\frac{1}{r^{n-1}}=1-\\frac{1}{8^{1.33-1}}=49.65\\%

Waarom staat de Otto-cyclus bekend als een cyclus met constant volume?

Voor deze cyclus vindt warmtetoevoeging en -afwijzing plaats op het vaste volume en de hoeveelheid verrichte arbeid is evenredig met de warmtetoevoeging en warmteafgiftesnelheid, daarom wordt de Otto-cyclus aangeduid als een constante volumecyclus.

Wat zijn de beperkingen van de Otto-cyclus?

  • Het heeft een lagere compressieverhouding, dus het is slecht in het verplaatsen van zware lasten met lage snelheid.
  • Is niet bestand tegen hogere belastingen en belastingen in vergelijking met dieselmotoren.
  • Algehele brandstofefficiëntie is lager dan dieselcyclus:.

Worden tweetaktmotoren beschouwd als Otto-cyclusmotoren?

Tweetaktmotoren werken zowel op de Otto-cyclus als op de dieselcyclus. De werking van een tweetaktmotor wordt hieronder weergegeven:

  1. De zuiger beweegt naar beneden en er wordt nuttig vermogen verkregen. De neerwaartse beweging van de zuiger comprimeert de verse lading die in het carter is opgeslagen.
  2. Tegen het einde van de expansieslag zal de zuiger eerst de uitlaatpoort onthullen. Dan zal de cilinderdruk dalen tot atmosferische druk aangezien gedurende die tijd verbrandingsmateriaal uit de cilinder zal vertrekken.
  3. Verdere beweging van de zuiger onthult de overdrachtspoort waardoor de licht gecomprimeerde lading in het carter de cilinder van de motor kan binnendringen.
  4. Projectie in de zuiger voorkomt dat de verse lading rechtstreeks naar de uitlaatpoort gaat en de verbrandingsmaterialen wegvangt.
  5. Wanneer de zuiger omhoog beweegt van het onderste dode punt naar het bovenste dode punt en de transferpoort sluit eerst, dan zal de uitlaatpoort sluiten en zal compressie plaatsvinden. Tegelijkertijd wordt vacuüm gecreëerd in het carter en komt er nieuwe lading in het carter voor de volgende cyclus.

Waarom is de Atkinson-cyclus efficiënter, ook al produceert deze een lagere compressie en druk dan de Otto-cyclus?

In de Atkinson-cyclus mag het isentropische expansieproces in de Otto-cyclus verder doorgaan en zich uitbreiden tot een lagere cyclusdruk om de werkoutput te vergroten en we weten dat de efficiëntie toeneemt bij een toename van het geproduceerde werk. Dat is de reden waarom de Atkinson-cyclus efficiënter is, ook al produceert deze een lagere compressie en druk dan de Otto-cyclus.

Wat is de compressieverhouding van de Otto-cyclus

Compressieverhouding van deze cyclus wordt uitgewerkt als

r=\\frac{V_s+V_c}{V_s}=\\frac{V_1}{V_2}

Waar,

Vs = Geveegd volume van cilinder.

Vc = Vrije ruimte van de cilinder.

Over het algemeen is de compressieverhouding in de Otto-cyclus 6 - 10. Deze is beperkt tot 10 vanwege het inkloppen van de motor.

Otto-cyclus versus efficiëntie van dieselcyclus

Het normale bereik van de compressieverhouding voor dieselcyclus is 16-20, terwijl in de Otto-cyclus de compressieverhouding 6-10 is en voor meer compressieverhouding die wordt gebruikt in de dieselcyclus, is de efficiëntie van de dieselcyclus groter dan de Otto-cyclus.

Geval 1: Voor dezelfde compressieverhouding en exact identieke warmte-inbreng, zal de relatie zijn

[Qin]acht = [Vrin]Diesel

[QR]acht<[QR]Diesel

\\\\\\eta=1-\\frac{Q_R}{Q_{in}}\\\\\\\\ \\eta_D<\\eta_O

In dit geval van dezelfde compressieverhouding en gelijke warmte-inbreng zal dat zo zijn

\\eta_D<\\eta_{dual}<\\eta_O

Geval 2: In dit geval van dezelfde compressieverhouding en dezelfde warmte-afstoting, zal dit verband zijn

[Qin]acht> [Qin]Diesel

[QR]acht= [VrR]Diesel

\\\\\\eta=1-\\frac{Q_R}{Q_{in}}\\\\\\\\ \\eta_D<\\eta_O

In dit geval van dezelfde compressieverhouding en dezelfde warmte-afstoting.

\\eta_D<\\eta_{dual}<\\eta_O

Geval 3: In dit geval van dezelfde maximale temperatuur en dezelfde warmteafgifte.

[QR]acht= [VrR]Diesel

[Qin]Diesel> [Qin]acht

\\\\\\eta=1-\\frac{Q_R}{Q_{in}}\\\\\\\\ \\eta_D>\\eta_O

Voor dezelfde maximale temperatuur en dezelfde warmteafvoer

\\eta_D>\\eta_{dual}>\\eta_O

Onder welke omstandigheden zal de efficiëntie van de Brayton-cyclus en de Otto-cyclus gelijk zijn.

De efficiëntie van de Otto-cyclus wordt gegeven door de vergelijking

Oplossing: de efficiëntie van de Otto-cyclus wordt gegeven door de vergelijking

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

r = compressieverhouding = V1/V2

De efficiëntie van de Brayton-cyclus wordt gegeven door de vergelijking

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

r = compressieverhouding = V1/V2

Voor dezelfde compressieverhouding van de Brayton- en Otto-cyclus zal hun efficiëntie gelijk zijn.

Om meer te weten over polytropisch proces (klik hier)en Prandtl-nummer (Klik hier)

Laat een bericht achter